SMT 同步多線程架構

自 Bulldozer 微架構開始， AMD 一直沿用的 CMT 叢集多線程架構，採用 Dual Core 模組化設計，內建 2 個 x86 具排程的整數運算叢集，因此被介定為 2 個邏輯處理器，其他單元包括前端引擎、浮點單元、預測分支單元及緩存均為共享，意念上 CMT 架構能精簡處理一些冗贅單元，達成高密度的單晶片多核心設計。

可惜 Bulldozer 微架構並未為 AMD 帶來優勢，無論性能和功耗表現均嚴重落後競爭對手、市場反應慘淡，由於作業系統及程式沒有對 CMT 作出優化，加上 2 顆整數運算叢集各自獨立，資源不作共享導致經常出現單元閒置造成浪費，只有在較多核心、執行多線程運算下才勉強追貼對手，在單線程運算下性能更連舊架構 K10 也不如。

緊接推出的 Piledriver 、 Steamroller 與 Excavator 微架構在性能與功耗表現雖有上升，但卻無法追上 INTEL 的步伐， CMT 叢集多線程架構成為了性能提升瓶頸，迫使 AMD 推倒重來由零開始研發全新架構。

Zen 微架構是 AMD 首個採用 SMT 同步多線程技術的處理器，除了可以在單一 CPU 核心上同時執行 2 個線程，更擁有指令層級並列性超純量技術提升單一線程執行效率，核心內所有單元均可運作於 1T SMT 模式， AMD 更針對不同單元的特性優化線程管理策略，提升 SMT 同步多線程運算性能，相較 INTEL Hyper-Threading 技術更先進。

Zen 微架構的 SMT 管理策略，主要採用「搶佔式分享」作為線程資源分配方法，圖中被標示為紅色的架構，只要尚有閒置的資源就可被線程佔用直至完全滿載，盡量提升 SMT 同步多線程的運算吞吐量。

只有部份需順序運作的單元，在 SMT 模式下要透過「時間片分享」方式進行資源分配，按時間切片平均劃分給不同線程，令順序運作的單元也能在單一週期處理兩個線程，當中包括 μOps Queue 、 Retire Queue 及 Store Queue 單元。

值得注意的是，在 SMT 模式下如果核心只執行單一線程，「時間片分享」可能會造成運算瓶頸，因為資源被時間切片後並無法 100% 回收重用，導致部份單元出現閒置浪費。

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為優化 SMT 同步多線程性能， AMD Zen 微架構增設「算法優先機制」，應用於 Branch Prediction 單元、 Integer Rename 單元及 Floating Point Rename 單元中，針對線程的數據流作出分析，判定哪個線程先被分配較具效率，有效降低分支失誤及避免不必要延遲。

此外， AMD 針對 Load Queue 單元、 L0/L1/L2 Instruction TLB 單元、 L1/L2 Data TLB 單元，加入「 標籤優先機制」分配優先工作，對延遲敏感的操作線程，例如 I/O 操作、影像實時串流、觸屏輸入反應等低延遲工作，可取得載入隊列的優先權，以及優先查找虛擬內存地址轉換。