O que é Ryzen 3D V-Cache e por que é bom para jogos?

Núcleos e frequências costumavam ser as principais especificações que as pessoas olhavam ao comprar uma CPU, mas a tecnologia 3D V-Cache da AMD mudou tudo isso. O Ryzen 7 5800X3D em 2022 provou que o cache é o fator mais importante quando se trata de desempenho de jogos, e a AMD foi capaz de transformar uma CPU de jogos de médio porte em um candidato à coroa de jogos apenas adicionando o que a empresa apelidou de "3D V-Cache".

3D V-Cache não é apenas uma palavra da moda de marketing ou um truque como o "processamento explosivo" do Sega Genesis, mas sim uma solução para um dos maiores problemas que a indústria de semicondutores já enfrentou. Mesmo sem isso, o 3D V-Cache provou ser uma ótima maneira de oferecer ainda mais CPUs premium e de ponta sem muito esforço por parte da AMD.

O que é cache?

Antes mesmo de falarmos sobre o V-Cache 3D, precisamos falar sobre o cache antigo normal. Há muito tempo, os computadores usavam dois tipos básicos de armazenamento: discos rígidos e memória de acesso aleatório (RAM). Os discos rígidos são lentos, mas podem armazenar muitos dados, enquanto a RAM pode armazenar apenas uma pequena quantidade de dados, mas é muito rápida. Esse arranjo funcionou bem até que o ritmo das melhorias de desempenho da CPU começou a ultrapassar a RAM na década de 1990, e a RAM precisava ficar mais rápida para que os processadores não sofressem gargalos.

A solução foi cache. Este tipo de memória é um muito menor que a RAM, mas tem desempenho ainda maior e está localizado no processador, e não em algum lugar da placa-mãe. Isso criou uma hierarquia de memória, com cache na parte superior, RAM no meio e armazenamento (como discos rígidos e unidades de estado sólido) na parte inferior. Mas o cache acabou desenvolvendo suas próprias hierarquias, com níveis variados de desempenho e capacidade para atender às necessidades de cada chip. (Isso também se aplica a outros tipos de processadores, como GPUs.)

Hoje, a CPU típica de ponta tem cache de nível 1 (ou L1), L2 e L3. O cache L1 é pequeno e é dado a cada núcleo individual para processar pequenas instruções o mais rápido possível. O cache L2 é fornecido a um cluster de núcleos para uso exclusivo, mas é maior, às vezes em uma ordem de grandeza, e armazenado fora de qualquer núcleo individual. O cache L3 geralmente é compartilhado por todos os núcleos em uma única CPU e geralmente é o maior e último nível. Algumas CPUs de nicho até vêm com cache L4, que geralmente não está na própria CPU, mas sim em um tipo de RAM colocado no pacote da CPU, como o cache HBM2 da 4ª Geração Xeon.

O que é V-Cache 3D?

O 3D V-Cache é simplesmente um chip que não possui nada além de cache, e as CPUs Ryzen 5000 e Ryzen 7000 foram projetadas com a compatibilidade do 3D V-Cache em mente. Cada chip 3D V-Cache, ou chiplet, possui 64 MB de cache L3, o dobro da quantidade de um único chiplet de computação Zen. Você pode pensar que o 3D V-Cache deveria contar como cache L4, já que não faz parte da própria CPU, mas a AMD realmente instala esses chiplets verticalmente em chiplets de computação, onde todos os núcleos e cache estão localizados, e isso é onde o 3D V-A marca do cache vem.

O Ryzen 7 5800X3D foi o primeiro processador AMD a usar essa tecnologia e, como o único processador 3D V-Cache de sua geração, foi basicamente um teste. O Ryzen 7 5800X (sem V-Cache) tem 32 MB de L3, mas o 5800X3D tem o triplo disso com 96 MB. O objetivo de adicionar todo esse cache era evitar que a CPU precisasse se comunicar com a RAM o máximo possível, já que a RAM é muito mais lenta que o cache L3. Para a maioria dos aplicativos, isso é muito cache, mas há um tipo de software que adora cache: jogos.

Os jogos geralmente não exigem muitos núcleos de CPU e potência bruta para funcionar bem, mas exigem que a CPU processe muitos pequenos dados o mais rápido possível. Afinal, a maioria dos jogadores de PC deseja rodar seus jogos a 60 FPS ou mais, o que significa um quadro totalmente novo pelo menos a cada 16,67 ms. O 5800X3D está lá com o Ryzen 9 5950X e o Core i9-12900K em desempenho de jogos e ainda se mantém bem contra o Ryzen 9 7950X e Core i9-13900K. Quando CPUs Ryzen 7000X3D lançamento este ano, eles quase certamente serão os chips de jogos mais rápidos do mercado.

Dito isso, o V-Cache 3D não é perfeito, pois as CPUs que usam o V-Cache têm velocidades de clock mais baixas do que suas contrapartes não 3D. O cache extra compensa as frequências mais baixas em jogos, mas em outros aplicativos há uma pequena perda de desempenho. Por esse motivo, o 3D V-Cache pode nunca se tornar o padrão para as CPUs Ryzen.

O que há de tão especial no 3D V-Cache?

No final das contas, o 3D V-Cache é apenas um chip com cache e o excelente desempenho de jogo do 5800X3D é mais indicativo de quão grande é o cache para jogos, em vez de 3D V-Cache, oferecendo novos níveis de desempenho. Mas o 3D V-Cache não é revolucionário para o cache, mas sim para a forma como os processadores estão sendo construídos e uma solução potencial para um dos maiores problemas da indústria: a morte da Lei de Moore.

Mesmo que não houvesse uma crise de fabricação, o 3D V-Cache ainda é uma maneira eficaz de oferecer um produto de nível entusiasta.

A Lei de Moore é uma previsão de que os chips mais rápidos daqui a dois anos terão o dobro dos transistores dos chips mais rápidos que existem hoje. Um transistor é o menor componente de um processador, e mais transistores geralmente significam melhor desempenho. Como os processadores só podem ser tão grandes, atender às expectativas da Lei de Moore significa alcançar maior densidade, e maior densidade é alcançada principalmente através do uso de melhores processos de fabricação (também chamados nós). Resumindo, o setor tradicionalmente consegue acompanhar a Lei de Moore usando o processo ou nó mais recente.

Na última década, a Lei de Moore tem estado em suporte de vida porque o desenvolvimento de novos nós melhores tem sido extremamente difícil. O ritmo de aumento da densidade diminuiu de forma tão significativa que as empresas podem não conseguir atender às expectativas da Lei de Moore, o que significa que o progresso tecnológico está diminuindo. O cache, em particular, tem sido muito resistente a melhorias de densidade e, no ano passado, a TSMC anunciou que sua versão inicial do processo de 3 nm não teria maior densidade de cache do que 5 nm.

3D V-Cache é uma solução engenhosa para este problema. Ao colocar a maior parte do cache da CPU em seu próprio chiplet, a AMD pode dedicar mais espaço nos chips de computação para transistores lógicos, que formam núcleos individuais e são muito mais fáceis de encolher do que o cache. Além disso, isso significa que a AMD pode usar nós mais antigos e baratos para chips V-Cache, enquanto salva os nós de ponta para os chiplets de computação. Já podemos ver a AMD aplicando essa teoria de design a suas GPUs; o RX 7900 XTX e XT tem um chip GPU principal cercado por outros seis chiplets que contêm todo o cache L3.

Mesmo que não houvesse uma crise de fabricação, o 3D V-Cache ainda é uma maneira eficaz de oferecer um produto de nível entusiasta. A AMD não precisa projetar uma CPU especificamente para jogos (o que tornaria difícil para a AMD obter lucro), nem A AMD precisa fazer com que suas CPUs convencionais venham com mais cache do que o necessário (o que tornaria cada CPU proibitivamente caro). O 3D V-Cache é tão simples, mas tão revolucionário; é possível, até provável, que veremos empresas como a Intel replicar o sucesso do 3D V-Cache com seus próprios chips de cache.