AMD Ryzen 7 5800X3D: Der 3D-V-Cache im Detail

Es ist schon eine ganze Weile her, dass einer der beiden CPU-Entwickler AMD und Intel einen Prozessor mit einem zusätzlichen L-Cache ausgestattet haben. Damit meinen wir natürlich nicht die Verbesserungen, die mit jeder Generation Einzug erhalten. Zuletzt ist das für Desktop-Prozessoren 2015 passiert: Intel Core i7-5775c setzt auf 128 MiByte eDRAM, der mit der leistungsfähigeren IGP der CPU verbunden war, aber auch für CPU-Aufgaben als L4-Cache mit bis zu 50 GB/s genutzt werden kann. Seitdem wurde es still um weiteren, "besonderen" Cache bei Intel. Handelsübliche Desktop-Prozessoren des Nachfolgers Skylake mussten darauf verzichten. Es gibt nur einen speziellen Core-i7-Prozessor mit der Bezeichnung "6785R", der auf den begehrten L4-Cache setzt. Diese CPU findet sich aber nur für den Sockel BGA-1440 wieder und wird fest auf der Platine verlötet.

Es gibt wieder mehr Cache für alle

Von Broadwell 2015 zurück in die Gegenwart: Anfang 2022 hat AMD den Ryzen 7 5800X3D vorgestellt. Es ist hinlänglich bekannt, dass zusätzlicher L3-Cache bei Zen-Prozessoren für deutlich mehr Leistung in Spielen sorgt. Da der X3D als reiner Gaming-Prozessor fungiert und designt wurde, und zudem die Lücke bis Zen 4 schließen soll, war es für AMD somit genau die richtige Wahl, erstmalig einen Achtkerner mit dem 3D-V-Cache auszustatten. Unter der Haube steckt die gleiche Zen-3-Architektur, die auch bei den anderen Ryzen-5000-Prozessoren eingesetzt wird. Tatsächlich unterscheidet sich der X3D nicht von einem R7 5800X, mit einem Unterschied: AMD verbaut auf dem 5800X3D einen sogenannten 3D-Vertical-Cache, der zum regulären 32-MiByte-fassenden L3-Cache zusätzliche 64 MiByte hinzufügt. Ähnlich wie bei Intels i7-5775c damals fällt dafür der Kerntakt mit 4,4 GHz zu 4,8 GHz (5800X) niedriger aus.

Beim 3DV-Cache-Die (L3D), welcher auf gleichen 7-nm-Node wie der Rest des CCD aufgebaut ist, handelt es sich praktisch um ein Stück schnelles SRAM (Static Random Access Memory) - dasselbe physische Medium wie der 32-MB-L3-Cache auf dem Die. Die verschiedenen SRAM-Bänke auf diesem Die sind über einen bidirektionalen Ringbus des CCD miteinander verbunden. Dadurch sehen die CPU-Kerne und die Software 96 MiByte adressierbaren L3-Cache. Der zusätzliche Cache wird dabei wie der reguläre Cache mit dem realen Speichertakt angesprochen, also beispielsweise 1.600 MHz bei DDR4-3200.
Quelle: AMD AMD Ryzen 7 5800X3D: Der 3D-V-Cache im Detail (3)

AMD hat eng mit TSMC zusammengearbeitet, um das Chiplet-Packaging mit dem Die-Stacking zu kombinieren und eine 3D-Chiplet-Architektur für High-Performance-Computing zu schaffen. Damit können die Kalifornier einen zusätzlichen 64 MB L3-Cache direkt auf die CPU-Compute-Die (CCD) stapeln. Der 3D-Cache ist direkt mit dem Zen-3-CCD über Van-der-Waals-Kräfte molekular verbunden, während über Siliziumdurchkontaktierungen (TSVs) Signale und Strom zwischen den gestapelten Dies mit einer Bandbreite von bis zu 2 TB/s übertragen werden. Durch den Herstellungsprozess dünnt AMD den zugrunde liegenden Chip aus, sodass die endgültige Höhe aller gestapelten Elemente gleich der Höhe des herkömmlichen Ryzen Zen-3-Chips ist. Intel griff bei Comet Lake auf eine ähnliche Ausdünnung des Die zurück, um Platz für ein dickeres IHS zu schaffen.

Die Kupfer-zu-Kupfer-Verbindung und der Vergleich der Chiplets

Quelle: AMD AMD Ryzen 7 5800X3D: Der 3D-V-Cache im Detail (4) Für die 3D-V-Cache-Technologie verwendet AMD einen "Hybrid-Bond"-Ansatz, bei dem TSVs für die vertikale Interkonnektivität sorgen. Zusätzlich zur Van-der-Waals-Bindung wird in einer zweiten Phase eine direkte Kupfer-Kupfer-Bindung mit Festkörperdiffusion eingesetzt. Die Vorteile des Hybrid-Bonding-Ansatzes lassen sich am besten durch einen Vergleich mit anderen Chip-Stacking-Technologien erkennen: Typische C4-Verbindungen weisen eine Packungsdichte (Bump Pitch) von etwa 130 μ auf. Die Micro-Bump-Architektur von Intel hat einen Abstand von etwa 50 μ. Der Bump Pitch beim 3D-V-Cache beträgt dagegen nur 9 μ. Aufgrund der höheren Packungsdichte kann AMD die Energieeffizienz der Verbindungen im Vergleich zur Konkurrenz um das Dreifache verbessern, und zwar durch eine Kombination aus größeren Datensätzen pro Zyklus und/oder niedrigeren Taktraten auf "Pro-Pin"-Basis. Hybrid Bond 3D kann auch gemischte Chipgrößen und gemischte Chipkapazitäten ermöglichen.
Quelle: AMD AMD Ryzen 7 5800X3D: Der 3D-V-Cache im Detail (5) Im Vergleich zu anderen Technologien ermöglicht diese Energieeffizienz, dass ein größerer Teil des SoC-Energiebudgets wieder der Leistung und nicht der Die-Verbindung zugewiesen wird. Zusammengefasst liefert das 3D-Chiplet damit eine mehr als 200 Mal so hohe Packungsdichte wie 2D-Chiplets, 15 Mal mehr Leistung als die Micro-Bump-Technologie und ist ein Drittel sparsamer als vergleichbare Micro-Bump-3D-Lösungen. In jeder Hinsicht ist AMDs Ansatz des Hybrid-Bond-3D ein echter Meilenstein in der Packaging- und Chip-Stacking-Technologie und AMD schließt nicht aus, dass zukünftig auch weitere Prozessoren auf diese Technik setzen werden.

Warum werden gerade Spiele damit so stark beschleunigt?

Moderne 3D-Spiele haben ein Problem: den Spieler. Niemand weiß, was er als Nächstes tun wird. Schaut er nach links, nach oben, oder öffnet er gleich sein Inventar, schlägt wild um sich oder rennt eine Wand rauf und runter? Aktuelle Spiele befeuern das System mit über 100.000 zufälligen Anfragen. Da AMD ihren CPUs keine hellseherischen Fähigkeiten mit auf den Weg gibt, muss also ein schneller Cache-Speicher dabei helfen, die Reaktion des Spielers in kürzester Zeit in ein flüssiges Bild zu verwandeln. Gewöhnlicher, moderner L3-Cache erledigt das in nur wenigen Nanosekunden, was unvorstellbar schnell ist. Geht dem Cache jedoch die Puste aus, wird für zusätzliche Rechenaufgaben der Arbeitsspeicher verwendet. Dessen Reaktionszeit ist zehnmal höher und damit viel langsamer. Das senkt nicht nur die Leistung, sondern sorgt auch für unschöne Nachladeruckler.

Steht einem Prozessor jetzt, wie im Fall des Ryzen 7 5800X3D, schlicht ein größerer L3-Cache zur Verfügung, kann dieser Zwischenspeicher mehr Daten erfassen und erhöht somit die Leistung in Spielen. Das zeigt unser Test recht deutlich, AMD spricht von etwa 15 Prozent durchschnittliche Mehrleistung und genau diesen Mittelwert haben wir auch gemessen. Mehr zum Ryzen 7 5800X3D lesen Sie im Test, der gleichzeitig zu diesem Artikel online geht.

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AMD Ryzen 7 5800X3D: Der 3D-V-Cache im Detail Die Besonderheit des 5800X3D ist sein Cache. Doch wie funktioniert dieser und worin genau unterscheidet sich der 3D-Cache vom normalen L3-Cache? In unserem Zusatz-Special zum Test der CPU widmen wir uns ausschließlich dem 3D-V-Cache und erklären im Detail, was diesen ausmacht und wie er funktioniert.

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