Vad är Ryzen 3D V-Cache, och varför är det bra för spel?

Kärnor och frekvenser var tidigare de viktigaste specifikationerna som folk tittade på när de köpte en CPU, men AMD: s 3D V-Cache-teknik har förändrat allt det. Ryzen 7 5800X3D 2022 bevisade att cache är den viktigaste faktorn när det kommer till spelprestanda, och AMD var kunna förvandla en spel-CPU i mellanregister till en utmanare för spelkronan bara genom att lägga till vad företaget kallade sin "3D V-Cache".

3D V-Cache är inte bara något marknadsföringsbuzzword eller en gimmick som Sega Genesis "blast processing" utan snarare en lösning på ett av de största problemen som halvledarindustrin någonsin har ställts inför. Även utan det har 3D V-Cache visat sig vara ett utmärkt sätt att erbjuda ännu fler premium- och avancerade processorer utan större ansträngning från AMD: s sida.

Vad är cache?

Innan vi ens pratar om 3D V-Cache måste vi prata om vanlig gammal cache. För länge sedan använde datorer två grundläggande typer av lagring: hårddiskar och RAM (Random Access Memory). Hårddiskar är långsamma men kan lagra mycket data, medan RAM bara kan lagra en liten mängd data men är väldigt snabba. Detta arrangemang fungerade bra tills takten med förbättringar av CPU-prestanda började överträffa RAM på 1990-talet, och RAM behövde bli snabbare så att processorerna inte flaskhalsade.

Lösningen var cache. Den här typen av minne är en massa mindre än RAM men har ännu bättre prestanda, och den är placerad precis i processorn snarare än någonstans på moderkortet. Detta skapade en minneshierarki, med cache i toppen, RAM i mitten och lagring (som hårddiskar och solid-state-enheter) längst ner. Men cachen utvecklade så småningom sina egna hierarkier, med varierande prestandanivåer och kapacitet för att passa behoven hos varje chip. (Detta gäller även andra typer av processorer som GPU: er.)

Idag har den typiska avancerade CPU: n nivå 1 (eller L1), L2 och L3 cache. L1-cachen är liten och ges till varje enskild kärna för att bearbeta små instruktioner så snabbt som möjligt. L2-cache ges till ett kluster av kärnor för exklusiv användning men är större, ibland med en storleksordning, och lagras utanför varje enskild kärna. L3-cache delas vanligtvis av alla kärnor på en enda CPU och är ofta den största och sista nivån. Vissa mycket nischade processorer kommer till och med med L4-cache, som vanligtvis inte finns på själva processorn utan snarare en typ av RAM-minne på CPU-paketet, som 4:e Gen Xeons HBM2-cache.

Vad är 3D V-Cache?

3D V-Cache är helt enkelt ett chip som inte har något annat än cache på sig, och Ryzen 5000 och Ryzen 7000 processorer är designade med 3D V-Cache-kompatibilitet i åtanke. Varje 3D V-Cache-chip, eller chiplet, har 64 MB L3-cache, dubbelt så mycket som en enda Zen-beräkningschiplet. Du kanske tror att 3D V-Cache borde räknas som L4-cache eftersom det inte är en del av själva processorn, men AMD faktiskt installerar dessa chiplets vertikalt på datorchiplets, där alla kärnor och cache finns, och detta är där den 3D V-Cache branding kommer från.

Ryzen 7 5800X3D var den allra första AMD-processorn som använde denna teknik, och som den enda 3D V-Cache-processorn i sin generation var det i princip en testkörning. Ryzen 7 5800X (utan V-Cache) har 32 MB L3, men 5800X3D har det tredubbla vid 96 MB. Hela poängen med att lägga till all denna cache var att förhindra processorn från att behöva kommunicera med RAM så mycket som möjligt eftersom RAM är mycket långsammare än L3 cache. För de flesta applikationer är detta alldeles för mycket cache, men det finns en typ av programvara som älskar cache: spel.

Spel kräver i allmänhet inte många CPU-kärnor och råa hästkrafter för att fungera bra utan kräver snarare att CPU: n bearbetar massor av små data så snart som möjligt. När allt kommer omkring vill de flesta PC-spelare köra sina spel med 60 FPS eller högre, vilket innebär en helt ny ram minst var 16,67 ms. 5800X3D är där uppe med Ryzen 9 5950X och Core i9-12900K när det gäller spelprestanda, och den håller sig fortfarande bra mot Ryzen 9 7950X och Core i9-13900K. När Ryzen 7000X3D processorer lanseras i år kommer de nästan säkert att vara de snabbaste spelmarkerna på marknaden.

Som sagt, 3D V-Cache är inte perfekt, eftersom processorer som använder V-Cache har lägre klockhastigheter än sina motsvarigheter som inte är 3D. Den extra cachen kompenserar för de lägre frekvenserna i spel, men i andra applikationer är det en liten prestandaförlust. Av denna anledning kanske 3D V-Cache aldrig blir standard för Ryzen-processorer.

Vad är så speciellt med 3D V-Cache?

I slutet av dagen är 3D V-Cache bara ett chip med cache på och 5800X3D: s fantastiska spelprestanda är mer indikativ på hur bra cache är för spel snarare än 3D V-Cache som erbjuder nya nivåer av prestanda. Men 3D V-Cache är inte revolutionerande för cache, utan snarare för hur processorer byggs och en potentiell lösning på ett av branschens största problem: Moores lags död.

Även om det inte var någon tillverkningskris är 3D V-Cache fortfarande ett effektivt sätt att erbjuda en produkt på entusiastnivå.

Moores lag är en förutsägelse att de snabbaste chipsen om två år kommer att ha dubbelt så många transistorer som de snabbaste chipsen som finns idag. En transistor är den minsta komponenten i en processor, och fler transistorer betyder vanligtvis bättre prestanda. Eftersom processorer bara kan vara så stora innebär att uppfylla förväntningarna i Moores lag att uppnå högre densitet, och högre densitet uppnås främst genom att använda bättre tillverkningsprocesser (även kallat knutpunkter). Kort sagt, branschen har traditionellt sett kunnat hänga med i Moores lag genom att använda den senaste processen eller noden.

Under det senaste decenniet har Moores lag handlat om livsuppehållande eftersom det har varit extremt svårt att utveckla bättre nya noder. Takten med ökande täthet har avtagit så avsevärt att företag kanske inte kan uppfylla förväntningarna i Moores lag, vilket innebär att tekniska framsteg saktar ner. Cache, i synnerhet, har varit mycket motståndskraftig mot densitetsförbättringar, och bara förra året meddelade TSMC att dess första version av 3nm-processen inte skulle ha större cache-densitet än 5nm.

3D V-Cache är en genialisk lösning på detta problem. Genom att lägga det mesta av CPU: ns cache på sin egen chiplet kan AMD dedikera mer utrymme på beräkningskretsen till logiska transistorer, som utgör individuella kärnor och är mycket lättare att krympa än cache. Dessutom innebär detta att AMD kan använda äldre, billigare noder för V-Cache-chips samtidigt som de sparar de senaste noderna för beräkningschiplets. Vi kan redan se AMD tillämpa denna designteori på sina GPU: er; RX 7900 XTX och XT har ett huvud GPU-chip omgivet av sex andra chiplets som innehåller all L3-cache.

Även om det inte var någon tillverkningskris är 3D V-Cache fortfarande ett effektivt sätt att erbjuda en produkt på entusiastnivå. AMD behöver inte designa en CPU specifikt för spel (vilket skulle göra det svårt för AMD att göra vinst), inte heller AMD måste få sina vanliga processorer att levereras med mer cache än nödvändigt (vilket skulle göra varje processor oöverkomligt dyr). 3D V-Cache är så enkelt men ändå en sådan spelväxlare; det är möjligt, till och med troligt, att vi kommer att se företag som Intel replikera framgången med 3D V-Cache med sina egna cachechips.