AMD 3D V-cache，有望改变缓存设计

核心和频率曾经是人们在购买 CPU 时关注的主要规格，但 AMD 的 3D V-Cache 技术改变了这一切。2022 年的 Ryzen 7 5800X3D 证明缓存是影响游戏性能的最重要因素，而 AMD 仅通过添加公司称之为“3D V-Cache”的技术。

3D V-Cache 不仅仅是一些营销流行语或像 Sega Genesis 的“爆炸处理”那样的噱头，而是半导体行业曾经面临的最大问题之一的解决方案。即使没有它，3D V-Cache 已被证明是提供更多高级和高端 CPU 的好方法，而 AMD 方面无需付出太多努力。

在我们谈论 3D V-Cache 之前，我们需要先谈谈常规的旧缓存。很久以前，计算机使用两种基本类型的存储：硬盘驱动器和随机存取存储器 (RAM)。硬盘驱动器速度慢但可以存储大量数据，而 RAM 只能存储少量数据但速度非常快。在 1990 年代 CPU 性能改进的速度开始超过 RAM 之前，这种安排一直很有效，并且 RAM 需要变得更快，这样处理器才不会成为瓶颈。

解决方案是缓存。这种内存比 RAM 小很多，但性能更高，而且它位于处理器中，而不是主板上的某个位置。这创建了一个内存层次结构，顶部是高速缓存，中间是 RAM，底部是存储（如硬盘驱动器和固态驱动器）。但缓存最终发展出自己的层次结构，具有不同级别的性能和容量以满足每个芯片的需求。（这也适用于其他类型的处理器，如 GPU。）

今天，典型的高端 CPU 具有 1 级（或 L1）、L2 和 L3 缓存。L1 缓存很小，分配给每个单独的内核以尽快处理小指令。L2 高速缓存提供给一组内核供独占使用，但更大，有时会大一个数量级，并且存储在任何单个内核之外。L3 缓存通常由单个 CPU 上的所有内核共享，并且通常是最大的最后一层。一些非常小众的 CPU 甚至带有 L4 缓存，这通常不在 CPU 本身上，而是放在 CPU 封装上的一种 RAM，例如第 4 代 Xeon 的 HBM2 缓存。

3D V-Cache 只是一个芯片，上面只有缓存，Ryzen 5000 和 Ryzen 7000 CPU 在设计时就考虑了 3D V-Cache 兼容性。每个 3D V-Cache 芯片或小芯片都有 64MB 的 L3 缓存，是单个 Zen 计算小芯片的两倍。您可能认为 3D V-Cache 应该算作 L4 缓存，因为它不是 CPU 本身的一部分，但 AMD 实际上将这些小芯片垂直安装在所有核心和缓存所在的计算小芯片上，而这是3D V -Cache 品牌的来源。

Ryzen 7 5800X3D 是第一款使用该技术的 AMD CPU，作为同代唯一的 3D V-Cache CPU，它基本上是一个试运行。Ryzen 7 5800X（没有 V-Cache）有 32MB 的 L3，但 5800X3D 有三倍，为 96MB。添加所有这些缓存的全部目的是为了防止 CPU 尽可能多地与 RAM 通信，因为 RAM 比 L3 缓存慢得多。对于大多数应用程序来说，缓存太多了，但是有一种软件喜欢缓存：游戏。

游戏通常不需要大量的 CPU 内核和原始马力即可良好运行，而是需要 CPU 尽快处理大量小数据。毕竟，大多数 PC 游戏玩家都希望以 60 FPS 或更高的速度运行游戏，这意味着至少每 16.67 毫秒更新一次帧。5800X3D 在游戏性能方面与 Ryzen 9 5950X 和 Core i9-12900K 并驾齐驱，并且与Ryzen 9 7950X和Core i9-13900K相比仍然表现出色。当Ryzen 7000X3D CPU今年推出时，它们几乎肯定会成为市场上最快的游戏芯片。

也就是说，3D V-Cache 并不完美，因为使用 V-Cache 的 CPU 的时钟速度低于其非 3D 对应物。额外的缓存弥补了游戏中较低的频率，但在其他应用程序中，性能损失很小。因此，3D V-Cache 可能永远不会成为 Ryzen CPU 的默认设置。

归根结底，3D V-Cache 只是一个带有缓存的芯片，而 5800X3D 出色的游戏性能更能说明缓存对游戏的作用有多大，而不是 3D V-Cache 提供了新的性能水平。但 3D V-Cache 对缓存来说并不是革命性的，而是对处理器的构建方式来说是革命性的，并且是业界最大问题之一的潜在解决方案：摩尔定律的死亡。

摩尔定律预测，从现在起两年后最快的芯片的晶体管数量将是目前最快芯片的两倍。晶体管是处理器中最小的组件，晶体管越多通常意味着性能越好。由于处理器只能做到这么大，满足摩尔定律的预期意味着实现更高的密度，而更高的密度主要是通过使用更好的制造工艺（也称为节点）来实现的。简而言之，该行业传统上能够通过使用最新的工艺或节点来跟上摩尔定律。

在过去的十年中，摩尔定律一直在维持生命，因为开发更好的新节点极其困难。密度增加的步伐已经显着放缓，以至于公司可能无法满足摩尔定律的预期，这意味着技术进步正在放缓。尤其是缓存，一直对密度改进非常抵触，就在去年，台积电宣布其 3nm 工艺的初始版本的缓存密度不会超过 5nm。

3D V-Cache 巧妙地解决了这个问题。通过将大部分 CPU 的缓存放在自己的小芯片上，AMD 可以将计算芯片上的更多空间专用于逻辑晶体管，逻辑晶体管构成独立的内核，比缓存更容易缩小。此外，这意味着 AMD 可以为 V-Cache 芯片使用更旧、更便宜的节点，同时为计算小芯片保留最先进的节点。我们已经可以看到 AMD 将这种设计理论应用于其 GPU；RX 7900 XTX 和 XT有一个主 GPU 芯片，周围有六个包含所有 L3 缓存的其他小芯片。

即使没有制造危机，3D V-Cache 仍然是提供发烧级产品的有效方式。AMD 不需要专门为游戏设计 CPU（这会让 AMD 难以盈利），AMD 也不需要让它的主流 CPU 配备比必要更多的缓存（这会使每个 CPU 都非常昂贵） . 3D V-Cache 非常简单，但却是游戏规则的改变者；有可能，甚至很有可能，我们会看到像英特尔这样的公司用他们自己的缓存芯片复制 3D V-Cache 的成功。