Sejarah CPU AMD: Dari Sumber Kedua sampai Chiplet

Selama puluhan tahun, banyak orang mendengar "prosesor PC" dan langsung teringat satu nama: Intel. Tetapi kisah x86 bukan kisah satu perusahaan. Advanced Micro Devices, atau AMD, memulai sebagai perusahaan kecil yang membuat chip untuk perusahaan lain. Selama puluhan tahun ia berada dalam bayang-bayang saingan yang lebih besar, memenangkan beberapa pertarungan hukum dan desain, dan pada akhir 2010-an membangun ulang dirinya di sekitar arsitektur Zen dan cara membuat prosesor berbasis chiplet. Artikel ini mengikuti perjalanan itu dari pendirian pada tahun 1969 sampai prosesor yang kini dipakai di PC gaming, server, dan konsol game.

1969: Pendirian di Silicon Valley

AMD didirikan pada tahun 1969 di Sunnyvale, California, oleh Jerry Sanders dan sekelompok insinyur serta tenaga penjualan yang pernah bekerja di Fairchild Semiconductor, perusahaan yang beberapa tahun sebelumnya ikut mengembangkan sirkuit terpadu. Pada tahun-tahun awalnya, perusahaan ini membuat chip logika dan memori, banyak di antaranya berdasarkan desain yang dibuat perusahaan lain. Bersaing dengan pemasok yang lebih besar memaksa AMD fokus pada harga dan pengiriman yang cepat, kebiasaan yang bertahan selama puluhan tahun.

Era sumber kedua

Pada tahun 1970-an, produsen elektronik besar tidak ingin bergantung pada satu pemasok untuk chip penting. Jika pemasok itu kekurangan stok atau menaikkan harga, seluruh lini produk bisa berhenti. Industri karena itu memakai sistem sumber kedua: satu perusahaan merancang chip, dan perusahaan lain diberi lisensi untuk membuat chip yang sama agar pelanggan punya pilihan. AMD menjadi salah satu sumber kedua paling penting di industri ini.

Pada tahun 1975 AMD mulai memproduksi versi prosesor Intel 8080 yang disebut Am9080. Chip ini memiliki susunan pin dan perilaku yang setara, sehingga sistem yang dirancang untuk 8080 bisa memakai chip AMD tanpa mengubah papan sirkuitnya. Pekerjaan ini memberi pendapatan yang stabil dan pengalaman manufaktur pada saat AMD belum punya desain prosesor sendiri.

IBM PC dan keluarga 8086

Intel 8086 pada tahun 1978 dan 8088 yang lebih murah sesudahnya menjadi fondasi arsitektur x86. Ketika IBM memilih 8088 untuk PC-nya pada tahun 1981, IBM juga menginginkan sumber kedua untuk melindungi pasokannya. Intel karena itu memberi lisensi desainnya kepada produsen lain, dan AMD termasuk salah satu pemegang lisensi. Hal ini menempatkan AMD di pusat bisnis PC, karena PC IBM menjadi model bagi seluruh industri mesin yang kompatibel.

Namun lisensinya terbatas. Intel mengendalikan desainnya, dan perjanjiannya menentukan chip apa yang boleh dibuat AMD serta dengan syarat apa. Ketegangan ini terus ada dalam hubungan kedua perusahaan selama bertahun-tahun. AMD membutuhkan lisensi untuk tumbuh, sementara Intel ingin tetap mengendalikan arsitektur yang menghasilkan keuntungan terbesar.

Perselisihan 286 dan 386

Pada tahun 1982 Intel memperkenalkan 80286, prosesor 16-bit dengan manajemen memori yang lebih baik. AMD memperoleh lisensi dan membuat versinya sendiri, Am286. Namun perjanjian itu memuat ketentuan tentang penggunaan microcode, instruksi tingkat rendah yang memberi tahu prosesor cara menjalankan operasinya, dan kedua perusahaan bersengketa soal ketentuan tersebut selama bertahun-tahun.

Intel 386 tahun 1985 adalah prosesor 32-bit yang menjadi fondasi perangkat lunak PC modern. AMD akhirnya membuat versinya sendiri, Am386, setelah negosiasi panjang dan proses hukum yang mencakup gugatan dan arbitrase. Kedua perusahaan menghabiskan banyak biaya untuk urusan hukum. Hasilnya adalah kesepakatan lisensi silang yang menetapkan desain mana yang dianggap karya independen dan mana yang tetap berada di bawah hak pemilik asli.

Pelajaran yang diambil AMD dari tahun-tahun ini adalah bahwa kekayaan intelektual adalah inti bisnis chip. Perusahaan yang tidak memiliki desain intinya akan selalu rentan.

486 dan pencarian identitas

Intel 80486 tahun 1989 menggabungkan prosesor, unit floating-point, dan cache dalam satu chip. Chip ini jelas lebih cepat daripada 386 dan menjadi standar untuk desktop berkinerja tinggi pada awal 1990-an. AMD memproduksi chip 486 yang kompatibel, dan penjualannya tumbuh seiring meluasnya pasar PC. Pelanggan menginginkan mesin yang lebih cepat dengan harga lebih murah, dan AMD menawarkan alternatif yang dihargai banyak perakit sistem.

K5: prosesor x86 pertama yang sepenuhnya buatan sendiri

Pada tahun 1996 AMD merilis K5, prosesor x86 pertamanya yang sepenuhnya dirancang sendiri. Sebelum itu, AMD sebagian besar mengandalkan desain berlisensi dan rekayasa balik produk Intel. K5 membuktikan bahwa insinyur AMD bisa menciptakan chip yang kompetitif dari arsitektur mereka sendiri. Kinerjanya tidak selalu menyamai Pentium dari Intel, tetapi menawarkan nilai yang baik dan kompatibilitas dengan perangkat lunak pada masa itu.

Proyek K5 menghadapi beberapa kesulitan. Beberapa target desainnya terlalu ambisius, dan chip ini sampai ke pasar lebih lambat dari rencana. Namun pengalaman itu mengajari AMD cara menjalankan proyek desain besar, memverifikasi logika yang kompleks, dan mengoordinasikan mitra manufaktur.

NexGen dan K6

Pada awal 1996 AMD mengakuisisi NexGen, perusahaan kecil yang timnya telah merancang prosesor bernama Nx586. Insinyur NexGen mengambil pendekatan berbeda: mereka menerjemahkan instruksi x86 menjadi operasi internal yang lebih sederhana, sehingga chip bisa memproses beberapa operasi secara paralel. Nx586 memiliki kekuatan pada beberapa beban kerja, tetapi menghadapi masalah dalam manufaktur dan di pasar.

AMD memakai tim NexGen sebagai dasar K6, yang dirilis pada tahun 1997. K6 adalah chip yang efisien dan murah yang bersaing langsung dengan Pentium MMX dari Intel. Kinerja hariannya kuat untuk harganya, dan chip ini membantu membangun reputasi AMD sebagai pembuat prosesor berharga terjangkau.

K6-2 dan 3DNow!

K6-2, yang dirilis pada tahun 1998, menambahkan serangkaian instruksi bernama 3DNow! untuk mempercepat grafik tiga dimensi dan pekerjaan floating-point yang berat. Ekstensi ini dikembangkan untuk menjawab meningkatnya permintaan akan game 3D dan multimedia. Perangkat lunak harus ditulis agar bisa memakainya, dan tidak semua program melakukannya, tetapi K6-2 memberi AMD fitur yang belum ditawarkan Intel pada saat itu.

K6-2 juga terjual dalam volume besar di pasar hemat dan arus utama, dan membantu AMD merebut pangsa bisnis desktop yang lebih besar.

Athlon: AMD menjadi pemimpin kinerja

Pada tahun 1999 AMD merilis Athlon, yang dirancang oleh tim yang dipimpin Dirk Meyer dan insinyur lain yang pernah bekerja pada proyek K7. Athlon adalah lompatan besar. Ia memiliki arsitektur baru, bus yang lebih cepat, dan pipeline yang lebih dalam, dan ia menjadi prosesor x86 AMD pertama yang bersaing serius dengan produk teratas Intel dalam kinerja mentah.

Pada Maret 2000 AMD menjadi perusahaan pertama yang mengirimkan prosesor x86 1 GHz kepada konsumen, sedikit lebih dulu dari Intel. Pencapaian ini mendapat liputan luas dan mengubah citra AMD dari merek bernilai menjadi pemimpin teknis. Gamer dan overclocker mulai menyukai Athlon.

Thunderbird, Palomino, dan Athlon XP

Athlon Thunderbird tahun 2000 menambahkan cache level 2 di dalam die prosesor, yang meningkatkan kinerja, dan kemudian diikuti oleh inti Palomino serta Athlon XP. Nama XP dipakai untuk menunjukkan bahwa prosesor AMD menyamai Pentium 4 dari Intel dalam beberapa pengujian meskipun kecepatan clock-nya lebih rendah. Penamaan berdasarkan kinerja, bukan frekuensi, menjadi kontroversi, tetapi berhasil di pasar.

Athlon XP dan Athlon MP sukses di desktop dan server. AMD menikmati profitabilitas yang kuat pada periode ini, tetapi persaingan dengan Intel tetap sengit.

Athlon 64 dan x86-64

Titik balik terpenting pada era ini datang pada tahun 2003, ketika AMD merilis Opteron untuk server dan Athlon 64 untuk konsumen. Keduanya mengimplementasikan ekstensi x86 bernama x86-64, yang secara resmi disebut AMD64, dan menambahkan pengalamatan 64-bit serta lebih banyak register. Intel sebelumnya mengembangkan arsitektur 64-bit yang berbeda bersama Hewlett-Packard, bernama IA-64 atau Itanium, yang tidak kompatibel dengan perangkat lunak x86 yang ada. Pendekatan AMD memungkinkan prosesor menjalankan program 32-bit dan 64-bit sekaligus, sehingga pelanggan bisa meningkatkan sistemnya tanpa menulis ulang perangkat lunak.

Keputusan ini terbukti tepat. Intel akhirnya mengadopsi set instruksi AMD64 dengan nama Intel 64, yang menegaskan bahwa AMD telah menentukan arah x86 arus utama untuk dekade berikutnya.

Pengontrol memori pindah ke dalam chip

Athlon 64 juga memindahkan pengontrol memori ke dalam prosesor itu sendiri. Sebelumnya, pengontrol ini berada di motherboard sebagai chip terpisah, sehingga menambah keterlambatan pada setiap akses memori. Setelah terintegrasi, prosesor mengambil data dari RAM lebih cepat, dan kinerja membaik di banyak aplikasi. Gagasan ini menjadi standar di seluruh industri, dan juga meletakkan dasar bagi Infinity Fabric dan desain chiplet yang muncul kemudian.

Athlon 64 X2 dan era dual-core

Pada tahun 2005 AMD merilis Athlon 64 X2, prosesor dual-core dengan dua inti dalam satu chip. Intel juga memiliki produk dual-core pada waktu yang kurang lebih sama, tetapi Athlon 64 X2 dipuji karena kinerjanya, konsumsi dayanya yang rendah, dan kompatibilitasnya dengan motherboard yang ada. Chip ini memberi AMD posisi kuat di pasar konsumen selama tahun-tahun awal komputasi multi-core.

Akuisisi ATI pada 2006

Pada tahun 2006 AMD menyelesaikan pembelian ATI Technologies, perusahaan chip grafis besar, dengan nilai sekitar 5,4 miliar dolar AS. Kesepakatan ini mengubah arah perusahaan. Ia membawa tim grafis dengan pengalaman puluhan tahun dan portofolio paten yang berharga. AMD meyakini bahwa menggabungkan pemrosesan pusat dan grafis akan menentukan masa depan komputasi.

Akuisisi ini juga mahal. AMD menanggung utang besar dan harus menggabungkan dua organisasi teknik dengan budaya yang berbeda, dan posisi keuangannya menjadi lebih rapuh pada tahun-tahun berikutnya. Namun gagasan menggabungkan CPU dan GPU akhirnya melahirkan accelerated processing unit (APU) yang mulai dikirim AMD pada tahun 2011, dan kemudian prosesor di dalam konsol game.

Phenom dan kesalahan yang mahal

Phenom tahun 2007 adalah prosesor quad-core asli pertama AMD, dengan keempat inti dibangun di atas satu die, bukan dua chip dual-core yang digabungkan. Desainnya ambisius, tetapi versi pertamanya memiliki bug pada translation lookaside buffer (TLB) yang memengaruhi kestabilan dan kinerja dalam beberapa situasi. AMD merilis patch dan revisi berikutnya, tetapi reputasi perusahaan terlanjur rusak.

Kecepatan clock Phenom juga tertinggal dari Core 2 Intel, yang diluncurkan pada tahun 2006 dengan keunggulan kinerja yang besar. Pangsa pasar AMD melemah, dan perusahaan memusatkan perhatian pada pengurangan biaya serta bisnis grafisnya. Periode ini mengajari AMD pentingnya verifikasi yang menyeluruh, jadwal yang realistis, dan mahalnya kesalahan desain.

Bulldozer dan APU

Pada tahun 2011 AMD memperkenalkan arsitektur Bulldozer, yang mengelompokkan inti ke dalam modul, dengan dua inti berbagi satu unit floating-point. Gagasannya adalah menambah inti dengan biaya silikon yang wajar, tetapi kinerja per inti berada di bawah harapan, terutama pada beban kerja yang berat di floating-point. Lini FX banyak dikritik.

Pada periode yang sama AMD mengirim APU Llano, yang menggabungkan CPU dan GPU dalam satu chip untuk notebook dan desktop hemat biaya. Pendekatan APU adalah arah yang tepat dalam jangka panjang, tetapi perusahaan saat itu memiliki dana yang sangat terbatas.

Tahun-tahun sulit dan kebangkitan

Dari 2012 sampai 2016 AMD memangkas biaya secara drastis dan mengurangi jumlah karyawan. Lisa Su menjadi CEO pada Oktober 2014 dan memusatkan perusahaan pada produk inti dan arsitektur baru. Jim Keller, seorang desainer dengan rekam jejak yang dihormati dalam beberapa chip sebelumnya, bergabung pada 2012 dan memimpin pengembangan arsitektur Zen.

Zen dirancang untuk memberikan instruksi per clock yang jauh lebih baik, memakai struktur yang berskala baik untuk lebih banyak inti, dan memanfaatkan proses manufaktur TSMC yang lebih kecil.

Zen dan Ryzen

Pada Maret 2017 AMD meluncurkan prosesor Ryzen pertama, berbasis Zen. Prosesor ini menawarkan jauh lebih banyak inti daripada chip pesaing dengan harga yang jauh lebih murah, dan membuat AMD kembali menjadi pilihan menarik bagi gamer dan kreator konten. Pada Juni 2017 lini server EPYC menyusul, menawarkan lebih banyak inti dan kapasitas memori dibanding chip server Intel dengan harga yang kompetitif.

Chiplet mengubah ekonomi

Zen 2, yang dirilis pada 2019, adalah titik balik besar lainnya. AMD memecah prosesor menjadi beberapa die kecil yang disebut Core Complex Die (CCD) dan menempatkannya di sekitar satu die I/O pusat yang berisi pengontrol memori. Die-die itu dihubungkan oleh Infinity Fabric.

Keuntungannya ada pada yield. Pada proses 7 nm TSMC, die kecil memiliki proporsi chip bebas cacat yang jauh lebih tinggi daripada satu die besar. AMD karena itu bisa menurunkan biaya per prosesor dan memakai ulang CCD yang sama di banyak produk, dari Ryzen sampai EPYC berjumlah inti tinggi. Hal ini memberi perusahaan posisi yang lebih kuat dalam harga dan jumlah inti sekaligus.

Zen 3, 3D V-Cache, dan Zen 4

Zen 3, pada 2020, menata ulang cache CCD sehingga setiap inti bisa mengakses kumpulan cache level 3 yang lebih besar, yang meningkatkan kinerja game secara nyata. Pada 2022 AMD merilis Ryzen 7 5800X3D, yang menumpuk 3D V-Cache di atas CCD dan sangat menambah cache L3. Chip ini menjadi favorit gamer karena peningkatannya dalam game.

Zen 4, juga pada 2022, memperkenalkan socket AM5 dan memori DDR5, perubahan platform yang besar. Zen 5, yang dirilis pada 2024, meningkatkan kinerja per clock dan throughput komputasi.

Konsol game dan perangkat genggam

AMD telah memasok chip untuk beberapa konsol game. PlayStation 4 dan Xbox One tahun 2013 memakai arsitektur Jaguar, dan PlayStation 5 serta konsol Xbox Series tahun 2020 memakai Zen 2. Kontrak jangka panjang ini memberi AMD pemasukan yang stabil. Steam Deck, yang dirilis pada 2022, juga memakai APU AMD yang menggabungkan CPU Zen 2 dengan GPU RDNA, sehingga AMD juga punya tempat di game genggam.

Pelajaran dari sejarah AMD

• Menjadi sumber kedua mengajari AMD tentang manufaktur dan kualitas, meskipun tanpa memiliki desainnya.
• Kekayaan intelektual dan perjanjian desain itu penting. Ketergantungan pada lisensi saingan membuat perusahaan rentan.
• Inovasi berani, seperti x86-64 dan Zen, menghasilkan hasil yang lebih besar daripada mengikuti pemimpin.
• Chiplet menunjukkan bahwa mengubah ekonomi biaya dan yield bisa mengubah posisi sebuah perusahaan.
• Kesalahan seperti bug Phenom menunjukkan bahwa satu penundaan atau cacat bisa merugikan selama bertahun-tahun.

Kesimpulan

Dari salinan berlisensi 8080 pada tahun 1975 sampai Athlon yang mencapai 1 GHz, lalu prosesor Ryzen dan EPYC yang dibangun dari chiplet, sejarah AMD adalah kisah tentang bersaing melawan saingan yang jauh lebih besar dan membangun ulang diri beberapa kali. Setiap kali Anda menyalakan komputer dengan prosesor AMD, Anda mendapat manfaat dari keputusan teknik tersebut.