Почему X3D-процессоры — лучший выбор для CS2

Казалось бы, время частот и гонки за герцами прошло, но именно процессор с «низким аппетитом» и странной архитектурой сегодня стал идеальным выбором для CS2. AMD удалось не просто обмануть рынок, а переопределить само понятие «игровой процессор».

Если объяснить работу процессора простым языком, то получится следующая картина. В процессоре есть ядра, они работают с поступающей информацией. Когда её нет — ядра находятся в режиме ожидания. Чем выше частота, тем быстрее обрабатывается поступающая информация, следовательно, возрастает и производительность.

Значит ли это, что достаточно просто бесконечно повышать частоту? Нет — это неверно по двум причинам:

В основном в процессор данные поступают из оперативной памяти. Она в сравнении с ядрами имеет существенно большую латентность: для пользователя она кажется быстрой, но с точки зрения CPU — медленна. Разница в скоростях между ядром и оперативкой — колоссальная. Процессор может выполнять миллиарды операций в секунду, а память не успевать поставлять данные с той же скоростью. В результате ядра простаивают, а производительность снижается из-за задержек в поставке данных, а не из-за вычислительной мощности.

Для сокращения задержек инженеры внедрили кэш-память — компактное и сверхбыстрое хранилище внутри процессора. Кэш хранит те данные, к которым ядра обращаются чаще всего, чтобы не тратить время на медленную оперативку. Если нужная информация уже лежит там, процессор получает её практически мгновенно и продолжает работу без пауз.

Первым процессором с кэш-памятью внутри себя стал Intel 80486, выпущенный в 1989 году. У него было всего 8 килобайт L1-кэша, но тогда это казалось чем-то невероятным — процессор впервые научился хранить часть данных внутри себя, а не бегать за ними. Спустя некоторое время, AMD выпустила ответ — AMD 486DX2, где тоже появился L1. Так началась гонка за скорость между двумя гигантами рынка процессоров.

Довольно скоро стало понятно, что кэш-памяти одного уровня не хватает и компания Intel выпустила Pentium с кэшем второго уровня L2 и расположила его на материнской плате рядом с сокетом. В Pentium Pro же компания вынесла L2 на ту же подложку, на которой находился процессор, но на отдельном кристалле, и соединила его с ядром с помощью шины. 

AMD в 1999 году выпустила очень сильный ответ — инженеры расположили L2 на самом кристалле, то есть кэш второго уровня также стал частью ядра. Произошло это в процессоре K6-III и дало AMD преимущество в работе над задачами, которые сильно зависели от задержек.

К началу XXI века в процессорах появился новый тренд — увеличение количества ядер и потоков. Задачи становились более трудоёмкими и выход из ситуации, казалось бы, был до банального прост — просто сделать больше ядер для более быстрой обработки. Но что-то пошло не так.

Дело в том, что ядра и потоки процессора почти никогда не грузятся одинаково и в основном большинство программ либо загружают ядра по очереди, либо одновременно все, но какие-то всё равно выбиваются из общего списка. Из этого создаётся проблема, что в одном ядре используется весь кэш и его не хватает, а в другом кэш-память практически не используется. Выходом из этой ситуации стало создание единой для всех ядер кэш-памяти, так называемая память третьего уровня — L3-кэш. 

Первым процессором с таким кэшем стал Intel Itanium, вышедший в 2001 году, а ответ от AMD пришёл через 2 года в виде AMD Opteron. С того момента именно такая концепция трёх уровней кэша и была основной. Инженеры либо повышали объём кэша разных уровней, либо увеличивали количество ядер и их частоты, выдерживая баланс, но в какой-то момент появилась новая проблема. Чем больше становился кэш и чем плотнее располагались ядра, тем сложнее было впихнуть всё на один кристалл без перегрева и потери стабильности. В какой-то момент традиционный подход достиг предела — и для того, чтобы сделать ещё один шаг вперёд, понадобилась новая идея.

В обычном процессоре кэш располагается прямо на кристалле. L1-кэш — крошечный и молниеносный, почти как персональный помощник для каждого ядра. L2 — побольше и чуть медленнее, а L3 — общий для всех ядер, вроде складского помещения, куда процессор заглядывает, когда нужные данные не лежат рядом. Всё это находится в одном уровне кристалла, и место там всегда ограничено.

С переходом на Zen3 AMD получила доступ к возможности увеличения кэша третьего уровня до достаточно больших значений — до 64 МБ у процессора AMD Ryzen 9 5950X, который вышел 5 ноября 2020 года. 

Но уже тогда появились первые проблемы — расширяя кэш-память по площади кристалла, процессор начинал очень сильно греться. Для серверных решений это не было проблемой — можно было поставить огромное охлаждение и процессор чувствовал себя хорошо, но для обычного пользователя это не годилось и инженерам пришлось думать, как решить проблему. Нарастить ядра несложно, а вот нарастить кэш-память — дело непростое.

AMD пошла очень нестандартным путём. Вместо того, чтобы пытаться вместить новые объёмы кэша рядом с ядрами, инженеры сделали вертикальный кэш, V-Cache. Новый слой памяти просто сажают сверху обычного L3-кэша и соединяют с ядрами с помощью тонких вертикальных каналов — TSV (Through-Silicon Vias). Получается так, что у процессора как будто появился «второй этаж» его склада памяти для ядер. Поначалу идея казалась не совсем впечатляющей — всё же теперь между ядром и кэшем была задержка, да и память, добавленная таким образом, не могла быть такой же быстрой в силу температур — высокие скорости перегревали бы процессор. 

Но все сомнения развеялись когда AMD представила первый процессор с данной технологией — Ryzen 7 5800X3D, вышедший 5 апреля 2022 года. Отсюда и появилось название X3D, ведь память располагалась не в одной плоскости, а имела несколько уровней.

Но своего успеха процессоры X3D добились далеко не сразу. Да, 5800X3D стал лучшим творением AMD в играх, обогнав 5950X в среднем на 16%. Но выпущенный всего на 15 дней позже процессор Intel Core i9-12900K был в среднем на 5-6% лучше своего 3D-конкурента, хотя не имел такой технологии. Почему же так произошло? 

Сравним оба процессора:

Сразу заметна разница в частоте, потреблении и размере L1 и L2 кэша. Но почему так? Всё дело в том, что при обычном расположении кэша (однослойном), сверху почти сразу идёт охлаждаемая металлическая крышка и кэш, даже работающий очень быстро, эффективно охлаждается. При технологии 3D V-Cache охлаждается второй уровень кэша, а нижний, находящийся ближе к ядрам, хуже охлаждается и больше греется. Из-за этого процессор не может потреблять большое количество ватт и иметь высокие частоты — произойдёт перегрев. По этой же причине и не удаётся увеличить размер кэша первого и второго уровня — их площадь станет больше, следовательно от них будет больше тепла, и температура процессора будет выше. Важно отметить, что температуры AMD Ryzen 7 5800X3D и Intel Core i9-12900K находятся почти на одном уровне, хотя разница в потреблении и частотах колоссальная.

Триумф AM5

С выходом платформы AM5 AMD получила возможность сделать 3D V‑Cache по-настоящему эффективным. Более современный техпроцесс (7 нм и ниже) позволил размещать больше транзисторов на кристалле без роста тепла и энергопотребления. Чем плотнее транзисторы и кэш, тем быстрее процессор получает нужные данные — задержка падает, а ядра работают почти без простоев.

Дополнительно инженеры компании AMD улучшили тепловую топологию кристалла. В обычных процессорах нижний кэш и ядра прогреваются быстрее, а верхний слой кэша хорошо охлаждается металлической крышкой. В архитектуре AM5 перераспределили тепловую топологию для улучшения охлаждения нижнего слоя кэша. Это позволило увеличить объём L3 и 3D V-Cache без потери частот или стабильности.

И вот этот день настал — 4 января 2023 года AMD представила миру Ryzen 7 7800X3D. Но чем он так отличается от Ryzen 7 5800X3D? Давайте сравним ещё раз!

Основных отличий всего два — сильно возросшая частота и меньший техпроцесс. Техпроцесс — это условная величина, обозначающая толщину транзисторного слоя, который используется в производстве процессора. Чем меньше техпроцесс, тем меньше тепловое влияние он оказывает на общую температуру процессора. Поэтому с уменьшением техпроцесса, а также измененной архитектурой, переходом на новую платформу AMD удалось добиться невероятного. Потребление её нового творения стало ниже, чем у предшественника, хотя объёмы кэша не изменились, и при этом очень сильно выросли частоты.

Что же в итоге? Главным конкурентом в тот момент выступил процессор Intel Core i9-13900K и Ryzen 7 7800X3D обогнал его на 13%. В среднем 7800X3D потреблял 70-90 Вт и мог работать в допустимом тепловом режиме с классическим башенным кулером (температуры до ~85 °C). В то время как 13900K с TDP и потреблением в районе 200–230 Вт обычно требовал более продвинутых решений для охлаждения, включая системы жидкостного охлаждения.

X3D-модели обычно уступают в рабочих задачах, но демонстрируют преимущество в игровых сценариях. Почему так? Всё дело в технологии самого 3D V-Cache — дополнительный вертикальный кэш L3 почти мгновенно выдаёт данные ядрам, но при этом он не ускоряет все задачи одинаково. В рабочих приложениях вроде рендеринга, компиляции или обработки видео нагрузка распределяется между большим количеством ядер и потоков, и данные идут из разных источников — там важны частоты и общая вычислительная мощность. Поэтому X3D часто оказывается медленнее обычных Ryzen и Intel в «тяжелых» задачах, где кэш помогает не так сильно.

Разница между рабочими и игровыми задачами заключается в использовании временной памяти. L3 кэш почти всегда простаивает не наполняясь и до половины своего объёма в обычных процессорах, что уж говорить про процессоры с технологией 3D V-Cache. 

В играх всё иначе. Если мы берём ААА-проекты, то локации и механики постоянно требуют временной памяти и используются без остановки, и 3D V-Cache оказывается намного эффективнее. Особенно заметен эффект в шутерах: увеличение объёма L3 или применение 3D V-Cache приводит к существенному росту FPS в играх с повторяющимсчя наборами данных. Поэтому в данном случае идёт прямая зависимость: чем объём кэша больше, тем больше FPS будет в игре.

Однако так работает не всегда, нужно помнить про тепловые ограничения. Например процессор AMD Ryzen 9 9950X3D имеет самый большой объём L3, используя технологию 3D V-Cache — 128 Мб. Но его производительность в CS2 будет чуть больше AMD Ryzen 7 7800X3D и будет немногим ниже, чем у AMD Ryzen 7 9800X3D, чей объём также равен 96 Мб. В силу того, что использовать весь потенциал процессора в играх не получается, он начинает очень сильно греться, но при этом в рабочих задачах будет ощутимо лучше, чем процессоры 800-й линейки. 

На данный момент абсолютным лидером в игровой индустрии является процессор AMD Ryzen 7 9800X3D. Почему же он так хорош?

Благодаря очередному уменьшению техпроцесса, процессор смог потреблять больше ватт, и при этом иметь частоты выше. Также теперь каждое ядро имеет на 16 Кб больше кэш-памяти первого уровня. Прирост в 19% по сравнению с Ryzen 7 7800X3D нельзя объяснить лишь небольшим увеличением энергопотребления — за этим стоит комбинация архитектурных улучшений.

Вместе с выходом 9000-й серии процессоров Ryzen, AMD выпустила «второе поколение» технологии 3D V-Cache. Идея была простой — расположить кэш третьего уровня не над ядром, под крышкой, а под ядром, чтобы крышка процессора напрямую охлаждала ядра. То есть, теперь не кэш, разгоняясь, нагревался и нагревал ядра, а они стали быстрее и эффективнее охлаждаться. Это и позволило сделать ядра быстрее, повысив частоты, а также без риска перегрева увеличить объём кэш-памяти первого уровня до 80 Кб. 

В настоящее время процессоры AMD Ryzen 7 9800X3D и AMD Ryzen 7 7800X3D стоят в компьютерах большинства турнирных операторов по CS2. ESL в этот список не входит, так как является прямым партнёром компании Intel.

Среди киберспортсменов количество игроков, использующих процессоры с технологией 3D V-Cache с каждым годом всё растёт, а про-игрок команды Vitality Робин «ropz» Коль, заявил на своей странице в соцсети X:

Казалось бы, AMD придумала революционный продукт, так почему инженеры компании Intel, спустя уже 3 года, не могут просто скопировать данную технологию, учитывая, что она не находится в секрете? Всё дело в самих процессорах Intel — они очень горячие. Intel Core i7 и Intel Core i9 могут брать из блока питания до 300-350 ватт, при этом даже под системой жидкостного охлаждения могут иметь показатели выше 90 градусов и это при условии однослойного L3 кэша. Ещё один слой памяти будет очень сильно перегревать даже процессоры линейки i5.

Intel пытается бороться с этой проблемой, она уже выпустили процессоры линейки Intel Ultra, в которых сильно упало энергопотребление, но при этом упала и производительность, хотя и не критично. У Intel уже были попытки снизить энергопотребление в серии Ultra, однако архитектурные отличия затрудняют прямое копирование 3D V-Cache. AMD сохраняет технологическое преимущество, а обсуждения Zen6 указывают на дальнейшее развитие архитектуры.

Однако, как сильно бы компания AMD ни была впереди, она понимает, что нужно двигаться дальше. И уже сейчас компания работает и выпускает процессоры линейки Ryzen AI. Ryzen AI — это не просто очередной Ryzen‑процессор. Это семейство, в котором обычные ядра CPU, графический блок (iGPU) и нейропроцессор (NPU) объединены в одном чипе.

По словам AMD, пользователи ноутбуков и ПК получают функции ИИ прямо на уровне железа: фоновое размытие, авто‑кадрирование камеры, ускорение обработки изображений и видео, работа с локальными LLM и другими моделями. Благодаря выделенному NPU эти задачи выполняются быстрее и с меньшим энергопотреблением по сравнению с обычным CPU или GPU, что делает такие решения энергоэффективными. Такой подход к «AI PC» позволяет производителям предлагать ожидаемые пользователями функции ИИ, а AMD с Ryzen AI закрепляется в этом сегменте как лидер по интеграции аппаратных ИИ‑возможностей.

AMD не планирует останавливаться — и судя по темпам, следующий шаг в архитектуре Ryzen AI может стать тем же самым прорывом, каким когда-то стал 3D V-Cache.