Wat is Ryzen 3D V-Cache en waarom is het goed voor gamen?

Vroeger waren kernen en frequenties de belangrijkste specificaties waar mensen naar keken bij het kopen van een CPU, maar de 3D V-Cache-technologie van AMD heeft dat allemaal veranderd. De Ryzen 7 5800X3D in 2022 bewees dat cache de belangrijkste factor is als het gaat om spelprestaties, en AMD was in staat om van een gaming-CPU uit het middensegment een kanshebber voor de gaming-kroon te maken, gewoon door toe te voegen wat het bedrijf zijn "3D" noemde V-cache".

3D V-Cache is niet zomaar een marketingmodewoord of een gimmick zoals de "blast processing" van de Sega Genesis, maar eerder een oplossing voor een van de grootste problemen waarmee de halfgeleiderindustrie ooit te maken heeft gehad. Zelfs zonder dat heeft 3D V-Cache bewezen een geweldige manier te zijn om nog meer premium en high-end CPU's aan te bieden zonder veel moeite van AMD.

Wat is cache?

Voordat we zelfs maar over 3D V-Cache praten, moeten we het hebben over gewone oude cache. Lang geleden gebruikten computers twee basistypen opslag: harde schijven en RAM (Random Access Memory). Harde schijven zijn traag maar kunnen veel gegevens opslaan, terwijl RAM slechts een kleine hoeveelheid gegevens kan opslaan, maar erg snel is. Deze regeling werkte goed totdat het tempo van CPU-prestatieverbeteringen in de jaren negentig sneller begon te gaan dan RAM, en RAM moest sneller worden zodat processors niet in de problemen kwamen.

De oplossing was cache. Dit soort geheugen is een kavel kleiner dan RAM, maar presteert nog beter, en het bevindt zich direct in de processor in plaats van ergens op het moederbord. Hierdoor ontstond een geheugenhiërarchie, met cache bovenaan, RAM in het midden en opslag (zoals harde schijven en solid-state drives) onderaan. Maar cache ontwikkelde uiteindelijk zijn eigen hiërarchieën, met verschillende prestatieniveaus en capaciteit om aan de behoeften van elke chip te voldoen. (Dit geldt ook voor andere soorten processors zoals GPU's.)

Tegenwoordig heeft de typische high-end CPU niveau 1 (of L1), L2 en L3 cache. L1-cache is klein en wordt aan elke afzonderlijke kern gegeven om kleine instructies zo snel mogelijk te verwerken. L2-cache wordt voor exclusief gebruik aan een cluster van kernen gegeven, maar is groter, soms een orde van grootte, en wordt buiten elke afzonderlijke kern opgeslagen. L3-cache wordt meestal gedeeld door alle kernen op een enkele CPU en is vaak de grootste en laatste laag. Sommige zeer niche-CPU's worden zelfs geleverd met L4-cache, die zich meestal niet op de CPU zelf bevindt, maar eerder een type RAM dat op het CPU-pakket wordt geplaatst, zoals de HBM2-cache van de 4e generatie Xeon.

Wat is 3D V-cache?

3D V-Cache is gewoon een chip waarop niets anders dan cache staat, en Ryzen 5000- en Ryzen 7000-CPU's zijn ontworpen met 3D V-Cache-compatibiliteit in het achterhoofd. Elke 3D V-Cache-chip, of chiplet, heeft 64 MB L3-cache, het dubbele van een enkele Zen-compute-chiplet. Je zou kunnen denken dat 3D V-Cache zou moeten tellen als L4-cache, omdat het geen deel uitmaakt van de CPU zelf, maar AMD eigenlijk installeert deze chiplets verticaal op compute-chiplets, waar alle kernen en cache zich bevinden, en dit is waar de 3D V-Cache-branding komt van.

De Ryzen 7 5800X3D was de allereerste AMD-CPU die deze technologie gebruikte, en als enige 3D V-Cache-CPU van zijn generatie was het eigenlijk een testrun. De Ryzen 7 5800X (zonder V-Cache) heeft 32 MB L3, maar de 5800X3D heeft het drievoudige met 96 MB. Het hele punt van het toevoegen van al deze cache was om te voorkomen dat de CPU zoveel mogelijk met de RAM moest communiceren, aangezien RAM veel langzamer is dan L3-cache. Voor de meeste toepassingen is dit veel te veel cache, maar er is één soort software die dol is op cache: games.

Games hebben over het algemeen niet veel CPU-kernen en brute pk's nodig om goed te werken, maar vereisen eerder dat de CPU veel kleine gegevens zo snel mogelijk verwerkt. De meeste pc-gamers willen immers hun games spelen met 60 FPS of hoger, wat betekent dat er minstens elke 16,67 ms een gloednieuw frame is. De 5800X3D staat bovenaan met de Ryzen 9 5950X en Core i9-12900K wat betreft spelprestaties, en hij houdt nog steeds goed stand tegen de Ryzen 9 7950X En Kern i9-13900K. Wanneer Ryzen 7000X3D CPU's lancering dit jaar, zullen ze vrijwel zeker de snelste gaming-chips op de markt zijn.

Dat gezegd hebbende, 3D V-Cache is niet perfect, aangezien CPU's die V-Cache gebruiken lagere kloksnelheden hebben dan hun niet-3D-tegenhangers. De extra cache compenseert de lagere frequenties in games, maar in andere toepassingen is er een klein prestatieverlies. Om deze reden wordt 3D V-Cache mogelijk nooit de standaard voor Ryzen-CPU's.

Wat is er zo speciaal aan 3D V-Cache?

Uiteindelijk is 3D V-Cache slechts een chip met cache erop en de geweldige spelprestaties van de 5800X3D is meer een indicatie van hoe geweldig cache is voor gamen dan dat 3D V-Cache nieuwe niveaus van biedt prestatie. Maar 3D V-Cache is niet revolutionair voor cache, maar eerder voor de manier waarop processors worden gebouwd en een mogelijke oplossing voor een van de grootste problemen in de industrie: de dood van de wet van Moore.

Zelfs als er geen productiecrisis was, is 3D V-Cache nog steeds een effectieve manier om een ​​product op enthousiast niveau aan te bieden.

De Wet van Moore is een voorspelling dat de snelste chips over twee jaar twee keer zoveel transistors zullen hebben als de snelste chips die er nu zijn. Een transistor is het kleinste onderdeel van een processor, en meer transistors betekenen meestal betere prestaties. Omdat processors maar zo groot kunnen zijn, betekent het voldoen aan de verwachtingen van de wet van Moore dat je hoger moet presteren dichtheid, en een hogere dichtheid wordt voornamelijk bereikt door gebruik te maken van betere fabricageprocessen (ook wel knooppunten). Kortom, de industrie is van oudsher in staat geweest om de wet van Moore bij te houden door het nieuwste proces of knooppunt te gebruiken.

De afgelopen tien jaar heeft de wet van Moore betrekking gehad op levensondersteuning omdat het buitengewoon moeilijk was om betere nieuwe knooppunten te ontwikkelen. Het tempo van toenemende dichtheid is zo sterk vertraagd dat bedrijven mogelijk niet kunnen voldoen aan de verwachtingen van de wet van Moore, wat betekent dat de technologische vooruitgang vertraagt. Met name cache is zeer goed bestand tegen dichtheidsverbeteringen, en vorig jaar kondigde TSMC aan dat de eerste versie van het 3nm-proces geen grotere cachedichtheid zou hebben dan 5nm.

3D V-Cache is een ingenieuze oplossing voor dit probleem. Door het grootste deel van de cache van de CPU op zijn eigen chiplet te plaatsen, kan AMD meer ruimte op de rekenchips toewijzen aan logische transistors, die afzonderlijke kernen vormen en veel gemakkelijker te verkleinen zijn dan cache. Bovendien betekent dit dat AMD oudere, goedkopere knooppunten kan gebruiken voor V-Cache-chips, terwijl de geavanceerde knooppunten voor de rekenchiplets kunnen worden bewaard. We zien AMD deze ontwerptheorie al toepassen op zijn GPU's; de RX 7900 XTX en XT hebben één hoofd-GPU-chip omringd door zes andere chiplets die alle L3-cache bevatten.

Zelfs als er geen productiecrisis was, is 3D V-Cache nog steeds een effectieve manier om een ​​product op enthousiast niveau aan te bieden. AMD hoeft geen CPU speciaal voor gaming te ontwerpen (wat het voor AMD moeilijk zou maken om winst te maken), en dat hoeft ook niet AMD moet ervoor zorgen dat zijn reguliere CPU's worden geleverd met meer cache dan nodig is (waardoor elke CPU onbetaalbaar zou worden duur). 3D V-Cache is zo eenvoudig en toch zo'n game-wisselaar; het is mogelijk, zelfs waarschijnlijk, dat we bedrijven als Intel het succes van 3D V-Cache zullen zien repliceren met hun eigen cache-chips.