Сердце ПК Кремниевый двигатель "AMD": "3D V-Cache" предназначение⁠⁠

3D V-Cache — новая ступень развития кэша центральных процессоров. Технология призвана увеличить производительность без внесения изменений в саму архитектуру ЦП. Как она работает?

Что такое кэш процессора

Кэш у центральных процессоров — небольшой объем быстрой памяти, призванный смягчить разницу между скоростью работы ЦП и оперативной памяти, а также сократить задержки. Последняя работает намного медленнее и не успевает своевременно подавать данные, необходимые для работы, процессору напрямую. Именно поэтому еще с далекого 1985 года, у массовых процессоров Intel появилась кэш-память. Уже через четыре года была добавлена возможность работы со вторым уровнем кэша — L2. Он был менее быстрым, чем первый уровень — L1, но большего объема. В совокупности два уровня кэша имели более высокую вероятность того, что нужные данные окажутся в них при запросе центрального процессора. Соответственно ситуаций, когда в кэше нет нужных данных («промах»), стало меньше и средняя производительность с применением двухуровнего кэша значительно возрастала.

Двухуровневая система кэшей использовалась процессорами Intel и AMD достаточно долгое время, пережив много архитектур и значительный рост производительности самих ЦП. Но уже в 2007 году AMD представила первые процессоры с кэшем третьего уровня – Phenom. Из-за активного внедрения многоядерности, кэш уровня L3 стал просто необходим для быстрого обмена данными между ядрами. В следующем году его внедрила и Intel в процессорах Core i7 первого поколения, и с тех пор он стал использоваться во всех новых ЦП поголовно.

В чем отличия 3D V-Cache и как он работает

Идея 3D V-Cache не нова и берет истоки у конкурента AMD — Intel. А точнее — у серии процессоров 2015 года под кодовым названием Broadwell. Да, еще семь лет назад Intel решила внедрить в свои процессоры большой кэш четвертого уровня — 128 Мб памяти eDRAM. Для сравнения — кэш L3 у массовых процессоров Intel не превышал объема в 8 Мб, а в Broadwell был сокращен до 6 Мб.

Кэш представлял собой отдельный кристалл под крышкой процессора рядом с вычислительным. Благодаря столь огромному объему процессоры Broadwell с eDRAM превосходили в производительности своих предшественников Haswell даже на более низких тактовых частотах и при практически неизменной процессорной архитектуре. Особенно этот разрыв был велик в 3D-играх. Объем в 128 Мб для четырехъядерного процессора перекрывал практически все возможные промахи и позволял полностью раскрыться и без того производительной архитектуре тех лет.

Однако в последующих поколениях процессоров Intel отказалась от eDRAM в силу его дороговизны, оставив дополнительный кристалл только для редких ноутбучных процессоров с производительной встроенной графикой, которая так же могла пользоваться кэшем, как и процессорные ядра. Из десктопного сегмента такие процессоры из ассортимента Intel после 2015 года ушли окончательно.

3D V-Cache не является кэшем четвертого уровня — вместо этого AMD решили увеличить объем кэша третьего уровня в три раза. К тому же, eDRAM медленнее L3, и простое расширение скоростного L3 даст даже больший эффект. Но общий принцип увеличения производительности у технологий схож: больше кэша = меньше промахов = меньше задержек = выше производительность.

Что даст 3D V-Cache процессорам

Как и любой кэш, 3D V-Cache уменьшает количество промахов при запросе нужных данных и снижает задержки обращения к ОЗУ. А благодаря большому объему это количество должно уменьшиться кратно, да и задержки сократятся существенно. Это позволит раскрыть весь потенциал процессоров архитектуры Zen 3+ и последующих, убирая узкие места. Особенно эффективен он в играх — рост производительности может достигать десятков процентов, но и многие другие приложения к нему чувствительны.

Однако скорости целочисленным операциям кэш не добавит, что следует учитывать для тех приложений, которые используют процессор исключительно как «числодробилку». К тому же, дополнительный кэш вносит свой вклад в нагрев процессора. В результате чего аналогичные процессоры с 3D V-Cache и без него могут отличаться базовыми частотами. У моделей с кэшем частота будет ниже, но само ускорение от применения технологии во многих сценариях позволит это нивелировать.

Особенности и перспективы технологии

3D V-Cache уже используется в серверных процессорах AMD EPYC 3 поколения. В смешанных серверных нагрузках одно только внедрение этого кэша способно увеличить производительность задач до полутора раз, а в некоторых задачах — и того больше. Поэтому неудивительно, что первые процессоры с данной технологией выпущены не среди массовых десктопных. Однако, AMD уже заявила и о массовых процессорах с 3D V-Cache. Первым из них будет Ryzen 7 5800X3D, который должен увидеть свет в этом году. В будущих процессорах на архитектуре Zen 4 моделей с поддержкой данной технологии будет больше.

Однако 3D V-Cache на данном этапе — далеко не массовая технология. При изготовлении такого процессора дополнительный многослойный кристалл памяти устанавливается на чиплет с ядрами и соединяется с ним по технологии сквозных соединений. Мало того, что производство таких чипов обходится недешево, так еще и сама кэш-память большого объема в производстве дорога. Количество транзисторов, используемых в ней, достигает нескольких миллиардов, что сравнимо с их количеством в самих чиплетах с ядрами ЦП.

Именно поэтому реальное использование технологии 3D V-Cache в ближайшие годы стоит ожидать только в топовых процессорах. В бюджетных моделях ее применение лишено экономического смысла, так как цена процессора с малым количеством ядер и этой технологией будет совсем не гуманна по сравнению с конкурентами.