Процессор

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.

Графический процессор — «сердце» видеокарты. Он производит расчеты в играх и некоторых программах, которые умеют его использовать. Как устроен ГП внутри, какие блоки находятся в его составе, и как они работают?

Графический процессор (ГП) видеокарты — вычислительный чип, имеющий непростое внутреннее устройство. Современные топовые ГП технически сложнее, чем многоядерные центральные процессоры. А все потому, что вычислительные блоки в них хоть и устроены проще, но их количество в разы больше.

Из каких частей состоит графический процессор? За что они отвечают, как работают, и как связаны между собой? Разбираем по порядку.

Шейдерные процессоры

В центральном процессоре расчеты производят вычислительные ядра. В ГП базовым вычислительным элементом является шейдерный процессор (Shader Processor, SP). До 2006 года шейдерные процессоры делились на вершинные и пиксельные. Первые вычисляли пространственные координаты вершин полигонов, необходимые для переноса 3D-картинки в двухмерное изображение на мониторе. Вторые занимались вычислением цвета каждой точки этого изображения с учетом данных о ее освещении. Современные ГП оснащены универсальными шейдерными процессорами, которые могут выполнять оба вида вычислений, а также генерировать новую геометрию на основе уже имеющихся вершин. Вдобавок к этому они поддерживают неграфические вычисления, благодаря которым мощь ГП можно задействовать в некоторых программах — например, для обработки и конвертации видео.

NVIDIA называет свои шейдерные процессоры CUDA-ядрами — в честь одноименного API CUDA, разработанного компанией и предназначенного для вычислений на ГП собственного производства. Несмотря на другое название, их внутреннее устройство довольно схоже с шейдерными процессорами конкурентов — AMD и Intel.

Текстурные блоки

Текстурные блоки (Texture Mapping Unit, TMU) занимаются выборкой, наложением и фильтрацией игровых текстур. В каждом TMU имеются блоки адресации (Texture Address, TA) и фильтрации (Texture Filtering, TF).

С помощью блоков адресации TMU «натягивают» текстуры на полигоны, которые рассчитали шейдерные процессоры.

А с помощью блоков фильтрации они могут применять к текстурам один из видов фильтрации для их более четкого отображения: билинейную, трилинейную или анизотропную.

Растровые блоки

Блоки растровых операций (Render Output Unit, ROP) занимаются финальным этапом появления 3D-изображения на экране — растеризацией.

ROP собирают информацию от шейдерных процессоров и текстурных модулей. С помощью них эти блоки вычисляют конечное значение цвета для каждой точки двухмерного изображения, которое появляется на экране.

Некоторые методы сглаживания используют для своей работы именно блоки растровых операций — например, MSAA, SSAA и AAA.

Блоки трассировки лучей

Современные графические процессоры оснащены специальными блоками, которые занимаются трассировкой лучей. Их также называют RT-ядрами (Ray Tracing Core).

RT-ядра просчитывают пересечения лучей с полигонами и боксами иерархии ограничивающих объемов (BVH), в которые помещаются 3D-объекты для более эффективных и быстрых расчетов трассировки лучей.

Блоки матричных вычислений

Основная масса вычислений, необходимая для рендера игровой графики — это расчеты с 32-битной точностью. Иногда можно встретить и 16-битные графические расчеты, которые могут производиться с целью упрощения некоторых операций и повышения производительности. Однако в общем количестве их процент достаточно мал. Такие расчеты выполняют шейдерные процессоры ГП, оптимизированные под 32-битную точность. Однако есть целая категория вычислений, для которой столь точные расчеты попросту не нужны. К ним относятся технологии «умного» масштабирования изображения NVIDIA DLSS, AMD FSR и Intel XeSS. Аналогичных расчетов достаточно для подавления шумов, которые появляются при трассировке лучей, а также некоторых неигровых вычислений — например, нейросетей и программных продуктов на их базе.

Расчеты пониженной точности многие современные графические процессоры выполняют с помощью отдельных блоков матричных вычислений. Для всего вышеописанного парка технологий могут использоваться 16-битные расчеты, но более эффективны менее точные: восьми-, четырех- или даже двухбитные. Чем меньше точность, тем быстрее эти вычисления выполняются на матричных блоках.

Как и шейдерные процессоры, такие блоки относятся к вычислительным. Но в силу пониженной точности вычислений они устроены заметно проще, чем SP. NVIDIA называет их тензорными ядрами, Intel – матричными ядрами XMX. В ГП AMD выделенные блоки для таких расчетов отсутствуют, но имеется возможность переключить шейдерные процессоры в альтернативный режим работы с помощью специальных блоков матричного ускорения.

Вычислительные модули

Все вышеописанные блоки — это базовые «кирпичики» графического процессора. Из них формируются более крупные вычислительные модули. В каждом поколении графической архитектуры соотношение блоков в вычислительных модулях отличается, но их общие принципы устройства остаются довольно схожими для всех ГП.

У ГП NVIDIA самый маленький вычислительный модуль — потоковый мультипроцессор (Streaming Multiprocessor, SM). К примеру, в видеокарте RTX4090 такой модуль разделен на четыре части, в каждой из которой находится 32 ядра CUDA и одно тензорное ядро. По аналогии с ядром центрального процессора, каждая часть оснащена блоками загрузки данных и регистровым файлом. Общая часть SM содержит 128 КБ кэша, четыре TMU, RT-ядро и процессор обработки геометрии.

Два потоковых мультипроцессора объединены в кластер текстурной обработки (Texture Processing Cluster, TPC). Из шести TPC и 16 блоков ROP образуется один крупный графический вычислительный кластер (Graphics Processing Cluster, GPC) — вычислительная единица, содержащая все необходимое для работы с графикой. В каждом графическом процессоре таких кластеров несколько.

Cхоже устроены и ГП AMD, с тем отличием, что модули у них называются по-другому. Самым небольшим из них является вычислительный блок (Compute Unit, CU). Каждый CU современных моделей содержит 64 шейдерных процессора, четыре блока TMU, одно RT-ядро, кэш-память и регистровый файл. Два вычислительных блока объединяются в один процессор групповой обработки (Work Group Processor, WGP). Или как его еще называют, Dual CU.

В последнем поколении ГП Radeon RX7000 каждый CU вдобавок к этому набору имеет два блока матричного ускорения. Из восьми Dual CU и 32 ROP образуется один крупный шейдерный движок (Shader Engine, SE) — аналог графического вычислительного кластера от NVIDIA, содержащий в себе все необходимые блоки для работы с графикой. Аналогично конкуренту, в графических процессорах AMD таких шейдерных движков несколько.

В ГП Intel группировка модулей немного другая. Каждые 16 шейдерных процессоров здесь объединены в векторный движок (Xe Vector Engine, XVE). К нему присоединены два матричных блока XMX. 16 таких связок вкупе с регистровым файлом и кэшем образуют вычислительную единицу графического процессора — ядро XE.

Четыре ядра XE объединены в более крупный модуль Render Slice. Помимо ядер XE, в нем содержатся четыре RT-ядра, 16 блоков ROP и процессор обработки геометрии. Аналогично графическому вычислительному кластеру NVIDIA и шейдерному движку AMD, Render Slice имеет все нужные блоки для работы с графикой. Вычислительную часть графического процессора Intel образуют несколько подобных блоков.

Подсистема памяти

Все вычислительные блоки объединены общей шиной, к которой подключен второй уровень кэша (L2). У NVIDIA и Intel сразу после L2 информация поступает на контроллеры памяти, которые связывают ГП с микросхемами графической ОЗУ.

В отличие от двух других производителей, в ГП AMD блоки обработки геометрии и асинхронных вычислений выделены из состава вычислительных блоков и находятся рядом с кэшем L2. Вслед за ним следует память Infinity Cache, которая играет роль кэша третьего уровня, и лишь потом графическая ОЗУ.

Прочие блоки

Помимо уже упомянутых, в графическом процессоре содержатся и другие блоки, которые не относятся к вычислительным:

• Контроллер шины PCI-Express. Служит для связи видеокарты с прочими компонентами компьютера посредством шины PCI-E.

• Движок дисплея. Часть ГП, занимающаяся выводом изображения на цифровые интерфейсы — HDMI, DisplayPort или DVI (а ранее — и на аналоговый VGA).

• Мультимедийный движок. Аппаратный декодер, позволяющий воспроизводить или кодировать видеофайлы различных форматов.

Преимущества жидкого металла:

• Отличная теплопроводность. Она выше в 7-10 раз, чем у стандартных термопаст.

Недостатки:

• Электропроводность

• Невозможность использования с алюминиевыми и медными радиаторами из-за начала химических реакций.

Цена:

• Стоит набор для нанесения около 700 руб. Ссылка на него

Ryzen 5 7400F (6 x 3.7-4.7 ГГц, L2 - 6 МБ, L3 - 32 МБ, PCIe 5.0 x24)– под крышкой термопаста. Это приводит к троттлингу при серьезной нагрузке. Не спасают даже мощные жидкостные системы охлаждения.

Ryzen 5 8400F (6 x 4.2-4.7 ГГц, L2 - 6 МБ, L3 - 16 МБ, PCIe 4.0 x16) – мало L3 кэша, меньше линий PCIe и ниже его версия.

Ryzen 5 7500F (6 x 3.7-5.0 ГГц, L2 - 6 МБ, L3 - 32 МБ, PCIe 5.0 x24) – под крышкой припой и вообще топ-за свои деньги.

Если разница в цене до 10-15% процентов, то из всей троицы лучше выбрать Ryzen 5 7500F. Если разница по цене больше, то тут уже нужно смотреть на свой кошелек.

Мой личный телеграм-канал