Обзор процессора Ryzen 7 5800X3D: финальная точка Socket AM4

Процессоры Ryzen с технологией 3D V-Cache, расширяющей кеш-память с помощью дополнительного полупроводникового кристалла SRAM, были впервые упомянуты компанией AMD ровно год тому назад – на выставке Computex 2021. И тогда этот анонс произвёл настоящий фурор. С одной стороны, AMD посредством него подтвердила свой технологический потенциал, поскольку продемонстрировала готовность ввести в употребление передовую технологию 3D-монтажа полупроводниковых кристаллов и расширить чиплетный дизайн своих процессоров в вертикальном направлении. С другой – она пообещала до конца 2021 года заметно усилить серию процессоров Ryzen 5000, добавив в неё флагманский 12-ядерник с гигантским кешем и серьёзно увеличенной производительностью в игровых приложениях.

Однако воплотиться в жизнь этим наполеоновским планам — по крайней мере в их первоначальном виде — оказалось не суждено. Обещанный Ryzen 9 5900X с технологией 3D V-Cache так и не вышел, а вместо него с опозданием на несколько месяцев AMD выпустила другой потребительский CPU с увеличенной по этой технологии кеш-памятью – Ryzen 7 5800X3D. И он, откровенно говоря, выглядит куда менее эффектно.

Во-первых, Ryzen 7 5800X3D – всего лишь восьмиядерник, который заведомо не может быть универсальным флагманским решением, так как в настольном сегменте давно и широко доступны 12- и 16-ядерные решения. Во-вторых, уже до конца этого года в арсенале AMD появятся более прогрессивные процессоры на базе микроархитектуры Zen 4, которые почти наверняка затмят Ryzen 7 5800X3D за счёт роста показателя IPC и поддержки DDR5 SDRAM. И в-третьих, благодаря появлению в конце прошлого года семейства Alder Lake лидерство в производительности настольных процессоров перешло к компании Intel. Из-за того, что Alder Lake предлагает более высокую удельную производительность, нежели Zen 3, Ryzen 7 5800X3D теперь вынужден решать совсем иную задачу: он не устанавливает новые рекорды быстродействия в играх, а лишь пытается настичь процессоры конкурента экстенсивным методом – за счёт кратного увеличения объёма кеш-памяти.

Иными словами, в итоге выход Ryzen 7 5800X3D получился довольно выхолощенным, и, кажется, AMD сильно проиграла от того, что сорвала сроки и сделала совсем не ту модель, которую обещала. Тем не менее это не мешает ей говорить о Ryzen 7 5800X3D как о «самом быстром в мире геймерском процессоре». Однако есть ощущение, что AMD переоценивает возможности своего продукта: по крайней мере, многие независимые обзоры не смогли подтвердить правоту AMD в оценках производительности новинки. И по этой причине мы решили проверить Ryzen 7 5800X3D собственноручно. Тем более что это не просто уникальный по своей конструкции процессор AMD, а ещё и своеобразная финальная черта в истории экосистемы Socket AM4: её развитие на Ryzen 7 5800X3D полностью останавливается, и никаких других моделей CPU под этот процессорный разъём больше уже выходить не будет.

⇡#Технология 3D V-Cache в подробностях

Идея наращивания ёмкости кеш-памяти ради повышения производительности возникла у AMD явно не на пустом месте. Перемещение больших массивов данных ближе к процессорным ядрам, что кардинально увеличивает скорость обращения к ним, – достаточно простой приём, который нравился AMD и ранее. Процессоры AMD давно выделяются объёмами кеш-памяти, и маркетинговый отдел компании использует для неё название Game Cache, прямо указывая, что вместительный L3-кеш крайне полезен для игр. Верно и обратное: процессоры Ryzen с урезанным кешем, такие как Ryzen 5 5500, отличаются довольно скромным игровым быстродействием.

Ryzen 7 5800X3D – процессор, где идея увеличения ёмкости кеша во имя максимального FPS доведена до абсолюта: в нём на восемь ядер приходится 96 Мбайт L3 (по 12 Мбайт на каждое ядро). Но главная его особенность – даже не впечатляющий размер кеша, а конструкция, которая образно описана в модельном номере процессора окончанием «3D». Оно обозначает, что в Ryzen 7 5800X3D кеш расширен дополнительным кристаллом 3D V-Cache, который физически наложен на исходный процессорный чип сверху – в третьем измерении. На словах это звучит довольно просто: дополнительный кристалл SRAM-памяти ёмкостью 64 Мбайт монтируется над имеющимся в процессорном кристалле 32-Мбайт L3-кешем и объединяется с ним сквозными соединениями. Но в действительности всё гораздо сложнее.

Чтобы разместить надстройку в виде кристалла 3D-кеша на процессорном чипе, AMD пришлось поработать вместе с TSMC над специальной технологией производства, которая бы позволила уменьшить толщину скомбинированного из двух частей – CCD (Core Complex Die) и 3D-кеша – интегрального устройства. В итоге она приведена к высоте одного кристалла обычных процессоров, благодаря чему Ryzen 7 5800X3D помещается в точно такую же упаковку, как и другие процессоры семейства Ryzen, и не требует использования каких-то особенных систем охлаждения или их креплений.

Достигается это с помощью двух приёмов. Во-первых, применённые в Ryzen 7 5800X3D полупроводниковые кристаллы имеют меньшую толщину сами по себе. Например, у кристалла CCD для таких процессоров предварительно срезается 95 % кремния, в результате чего его толщина уменьшается с оригинальных 0,4 до 0,02 мм. Во-вторых, для соединения смонтированных друг на друге кристаллов TSMC использует выровненные заподлицо с их поверхностями контактные площадки вместо традиционных в этом случае микрошариков (технология SoIC). При этом кристаллы CCD и 3D-кеша с выведенными контактами полируются химико-механическими методами и соединяются впритирку так, чтобы они удерживались друг на друге силами Ван-дер-Ваальса. Также немаловажно, что части кристалла CCD, которые остаются не накрытыми 3D-кешем, наращиваются специальными кремниевыми болванками для получения ровной, без перепада высот, поверхности сборки.

Используемая в Ryzen 7 5800X3D технология вертикального соединения кристаллов выделяется ещё и тем, что она обеспечивает пропускную способность до 2 Тбайт/с, что вполне достаточно для работы L3-кеша. Получить такую скорость удалось благодаря крайне высокой плотности контактов в соединении, которые расположены с шагом 9 мкм. Для сравнения: текущее поколение технологии 2.5D-монтажа Intel EMIB, которое применяется в серверных процессорах Sapphire Rapids, использует шаг контактов 55 мкм. В результате, как указывает AMD, её технология попутно даёт и серьёзный выигрыш в энергоэффективности, так как позволяет использовать больше сигнальных линий с меньшими частотами.

Кристалл с дополнительной кеш-памятью объёмом 64 Мбайт имеет площадь 41 мм², что примерно вдвое меньше 81 мм² – площади восьмиядерного кристалла CCD. Количество транзисторов в таком кеше – 4,7 млрд. Это – больше числа транзисторов во всём CCD (4,15 млрд), где заложено 32 Мбайт L3. Но удивляться тут нечему: более высокая плотность размещения транзисторов в кристалле кеша объясняется простотой физической реализации SRAM-памяти в кремнии. При этом выпускается 3D-кеш там же, где и базовые кристаллы Ryzen, – на мощностях TSMC по техпроцессу N7.

Важно понимать, что дополнительный кеш, который AMD добавила в Ryzen 7 5800X3D вторым ярусом, — это не какая-то отдельная сущность. На логическом уровне он бесшовно приобщается к имеющемуся L3-кешу и работает с ним на одной частоте. Даже ассоциативность получающегося в итоге 96-Мбайт L3-кеша остаётся той же, что и у Ryzen 7 5800X, – в обоих случаях кеш 16-канальный.

Впрочем, увеличенный L3-кеш несёт не только преимущества, но и определённые недостатки. Доступ к данным в нём занимает больше времени, поэтому латентность такого кеша получается выше. Это прослеживается в синтетических бенчмарках. В то время как задержка кеша третьего уровня Ryzen 7 5800X составляет 40-45 тактов, выборка данных, находящихся в L3-кеше у Ryzen 7 5800X3D, занимает 45-52 такта.

Впрочем, для приложений, работающих с большими объёмами данных, трёхкратное увеличение размера кеша в большинстве случаев должно с лихвой компенсировать небольшой рост задержки.

В то же время AMD пока не собирается внедрять технологию 3D V-Cache повсеместно. Ryzen 7 5800X3D – единственный продукт для настольного сегмента, в котором технология вертикальной компоновки L3-кеша увидела свет. Хотя изначально компания планировала оснащать увеличенным кешем 12-ядерные процессоры Ryzen 7 5900X, впоследствии от этих планов пришлось отказаться. Технология 3D-монтажа очень сложна и пока плохо масштабируется, поэтому обкатывать её AMD решила на процессоре с одним CCD-чиплетом. Не исключено, что в следующем поколении Ryzen, которое перейдёт на микроархитектуру Zen 4, данная технология будет использоваться более активно. Однако нужно понимать, что в первую очередь 3D V-Cache – решение для серверного сегмента, где процессоры со сверхвместительным кешем востребованы намного больше. Поэтому даже если технология 3D V-Cache и не приживётся в потребительских продуктах, процессоры Epyc с дополнительными кристаллами кеш-памяти наверняка будут выпускаться по-прежнему.

⇡#Ryzen 7 5800X3D против Ryzen 7 5800X: в чём разница

Ryzen 7 5800X3D – восьмиядерный процессор на базе микроархитектуры Zen 3, и в этом он не отличается от Ryzen 7 5800X, который доступен на рынке уже полтора года. Однако Ryzen 7 5800X3D располагает увеличенной втрое кеш-памятью третьего уровня, что в конечном итоге вносит заметные коррективы и в другие характеристики. Речь в первую очередь идёт о тактовых частотах. Из-за того, что в Ryzen 7 5800X3D полупроводниковый кристалл с ядрами несёт на себе ещё один кремниевый кристалл, охлаждать его становится сложнее. В результате AMD была вынуждена сократить рабочие частоты Ryzen 7 5800X3D по сравнению с Ryzen 7 5800X на 200-400 МГц.

Фактически заявленные частоты флагманского восьмиядерника с 3D-кешем похожи на частоты не Ryzen 7 5800X, а недавно вышедшего Ryzen 7 5700X. Но есть нюанс: Ryzen 7 5700X имеет тепловой пакет 65 Вт, а Ryzen 7 5800X3D – это процессор с тепловым пакетом 105 Вт, которому разрешается потреблять вплоть до 142 Вт.

Чтобы получить полное представление о частотной формуле Ryzen 7 5800X3D на практике, мы построили кривую зависимости его частоты от числа активных потоков. В качестве нагрузки использовался тест рендеринга Cinebench R23.

Как следует из графика, различие в реальных рабочих частотах Ryzen 7 5800X3D и Ryzen 7 5800X почти одинаково на всём диапазоне нагрузок и составляет 275-300 МГц. Много это или мало – покажут тесты, но необходимо добавить, что Ryzen 7 5800X, в отличие от процессора с дополнительным кешем, можно ещё ускорить разнообразными методами: включив ему Precision Boost Overdrive 2, воспользовавшись Curve Optimizer или как-то ещё, вплоть до простого назначения увеличенной фиксированной тактовой частоты. Но для Ryzen 7 5800X3D всё эти подходы не работают. Поскольку отвод тепла от процессорного кристалла,находящегося на нижнем этаже сборки, затруднён, AMD не только жёстко ограничила сверху возможные напряжения для этого CPU величиной 1,35 В, но и отключила все привычные функции разгона, в частности изменение множителя, напряжения и лимитов потребления PPT, TDC, EDC. Иными словами, увеличить частоту Ryzen 7 5800X3D почти невозможно – единственный оставшийся способ с изменением частоты BCLK не даёт заметных результатов.

Как и все предыдущие представители семейства Ryzen, новый Ryzen 7 5800X3D полностью совместим с экосистемой Socket AM4 – его можно использовать в любых материнских платах с чипсетами 400-й и 500-й серий. Более того, AMD вместе с производителями материнских плат активно работает и над реализацией поддержки Ryzen 7 5800X3D в старых платах на чипсетах серии 300. Платы, которые получат обновление прошивок на основе кода AGESA 1.2.0.7, смогут работать в том числе и с этим CPU. А это значит, что Ryzen 7 5800X3D хорошо подойдёт для модернизации старых Socket AM4-систем. Тем более что этот процессор – финальная точка в развитии этой экосистемы, и никаких других моделей для неё AMD выпускать больше не собирается.

Ещё один фактор, резко отличающий Ryzen 7 5800X3D от собрата без 3D V-Cache, — это цена. Рекомендованная компанией стоимость Ryzen 7 5800X3D установлена в $449 – и это равно официальной цене Ryzen 7 5800X. Но в действительности обычный восьмиядерник сейчас продаётся значительно дешевле – в американских и европейских магазинах его можно найти за три с небольшим сотни долларов. Более того, за $400 в продаже доступен 12-ядерный Ryzen 9 5900X, поэтому Ryzen 7 5800X3D представляется довольно дорогим процессором на фоне своих собратьев.

⇡#Энергопотребление и температуры

Тепловыделение, похоже, стало для AMD самым больным вопросом при подготовке Ryzen 7 5800X3D к выпуску. Но дело не в дополнительном тепловыделении кристалла 3D-кеша (он, напротив, практически не вносит вклада в нагрев CPU), а в том, что двухуровневая компоновка затрудняет отвод тепла с нижнего «этажа», где как раз и находится горячий кристалл CCD с вычислительными ядрами. Именно по этой причине у Ryzen 7 5800X3D ограничены тактовые частоты, но это далеко не единственная мера, на которую пришлось пойти AMD.

Так, в Ryzen 7 5800X3D компания применила кристалл нового степпинга B2 вместо B0, который мы привыкли видеть в обычных Ryzen 7 5800X. Обновлённый кремний не имеет никаких отличий в возможностях или производительности, но имеет пониженные токи утечки, что даёт возможность использовать его с более низкими значениями напряжений. В то время как диапазон рабочих напряжений нашего экземпляра Ryzen 7 5800X простирался в зависимости от нагрузки от 1,0 до 1,462 В, Ryzen 7 5800X3D на степпинге B2 довольствовался напряжениями в интервале от 0,95 до 1,281 В. И следовательно, Ryzen 7 5800X3D должен быть заметно более экономичным.

Это прекрасно подтверждается практическими измерениями. Так, в многопоточном рендеринге в Blender потребление Ryzen 7 5800X3D составляет чуть более 100 Вт, в то время как Ryzen 7 5800X в тех же условиях потребляет почти в полтора раза больше – 145 Вт.

Если же смотреть на игровую нагрузку (в Full HD с максимальными настройками качества), то Ryzen 7 5800X3D оказывается экономичнее не только собрата без 3D-кеша, но и процессора Core i7-12700K поколения Alder Lake. Иными словами, новый степпинг кристалла CCD плюс сниженные напряжения и частоты позволили AMD сконструировать неожиданно энергоэффективный процессор, хотя изначально такая задача даже и не ставилась.

Неплохо выглядит и температурный режим Ryzen 7 5800X3D, хотя от процессора с энергопотреблением не выше 105 Вт можно было ждать большего. Однако из-за сложностей со снятием тепла с «этажерки» из кристаллов даже при небольших нагрузках процессор разогревается до температур порядка 60-70 градусов. Впрочем, для продукта компании AMD это не так уж и много: при рендеринге в Blender новый Ryzen 7 5800X3D оказывается примерно на 10-12 градусов холоднее старого Ryzen 7 5800X. И даже Core i7-12700K, снимать тепло с кристалла которого значительно проще, демонстрирует немного более высокие температуры при многопоточном рендеринге. (В экспериментах, о которых идёт речь, для охлаждения всех трёх процессоров использовалась одна и та же кастомная система СЖО на компонентах EKWB.)

В то же время в играх, где нагрузка носит менее стабильный и более легковесный характер, Ryzen 7 5800X3D заметно проигрывает процессору Intel в смысле температуры. Там, где Core i7-12700K нагревается лишь до 50-55 градусов, температуры Ryzen 7 5800X3D достигают 60-65 градусов. Впрочем, классический Ryzen 7 5800X в тех же условиях куда горячее – в игровых системах на его основе придётся столкнуться более чем с 70-градусным нагревом даже при использовании очень эффективной системы охлаждения.

Ryzen 7 5800X3D – финальный процессор для экосистемы Socket AM4, так как в дальнейшем AMD планирует переходить на другой сокет. Поэтому многие наверняка будут рассматривать его в качестве варианта для апгрейда старых систем. И хорошая новость заключается в том, что в этом случае можно практически не задумываться о таких вещах, как качество системы питания на материнской плате и производительность системы охлаждения. Ryzen 7 5800X3D – самый экономичный процессор Ryzen среди всех моделей с тепловым пакетом 105 Вт, который вполне сравним по тепловым и энергетическим характеристикам с 65-Вт моделями в случае включения для них технологии Precision Boost Overdrive 2.