ANÁLISE: AMD Ryzen 7 5800X3D – o 3D V-cache mostra a cara, mas faz diferença?

Processador AMD Ryzen 7 5800X, Cache 36MB, 3.8GHz (4.7GHz Max Turbo), AM4 – 100-100000063WOF

Processador AMD Ryzen 7 5800X, Cache 36MB, 3.8GHz (4.7GHz Max Turbo), AM4 – 100-100000063WOF

Processador AMD Ryzen 7 5800X, Cache 36MB, 3.8GHz (4.7GHz Max Turbo), AM4 – 100-100000063WOF

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Processador AMD Ryzen 7 5800X, Cache 36MB, 3.8GHz (4.7GHz Max Turbo), AM4 – 100-100000063WOF

Processador AMD Ryzen 7 5800X, Cache 36MB, 3.8GHz (4.7GHz Max Turbo), AM4 – 100-100000063WOF

O Zen3

Os Ryzen 5000 introduzem uma nova microarquitetura aos processadores da AMD, a Zen3. Ela promete um ganho médio de 19% nas instruções por clock (IPC) comparado ao Zen2, usando como referência modelos de oito núcleos com o clock fixo em 4.0GHz no comparativo.

Mesmo sem reduzir a litografia, melhorias da arquitetura Zen3 evoluem a performance dos Ryzen 5000

Mesmo mantendo a mesma litografia, os 7nm FinFET da TSMC, melhorias no cache prefetching, motor de execução, branch predictor, micro-op cache, front-end e armazenamento de dados foram os fatores que contribuíram para essa evolução.

Outro ponto relevante foi a reorganização do complexo computacional da AMD (CCX). Nas duas primeiras gerações da microarquitetura, o complexo contava com quatro núcleos que compartilhavam estruturas, como cache L3, e se comunicavam com outros núcleos via Infinity Fabric. O Zen3 modifica essa estrutura, colocando um total de oito núcleos em um mesmo CCX. Essa união também aumentou a quantidade de cache, já que basicamente unifica os dois 16MB disponíveis nos CCXs anteriores em um único cache de nível L3 com 32MB acessíveis por todos os núcleos, sem o Infinity Fabric envolvido nessa comunicação.

Essa reestruturação reduz as latências de comunicação entre memórias e núcleos e também entre os núcleos em si, pois diminui a necessidade de utilizar o Infinity Fabric, que realizava essa ponte entre diferentes CCXs e também com estruturas externas, como a memória RAM. Essa mudança traz impactos principalmente em cenários que dependem de baixa latência, como é o caso dos games.

Melhorias dos Zen3 impactam principalmente em cenários que dependem de latência e performance por thread, como é o caso dos games

Falando em Infinity Fabric, a operação da memória é relevante para acelerar essa comunicação, e, de acordo com a AMD, os clocks de 4000MHz são um patamar que pode ser possível de atingir, algo que na geração anterior se situava na casa dos 3800MHz. Como todo aumento de frequências, estamos falando de um overclock que poderá apresentar resultados diferentes de um modelo para o outro. 

O 3D V-Cache

Memórias em processadores trazem um desafio. Dados que precisam ser “buscados” na RAM ou até no armazenamento levam muito tempo para serem acessados. Então, quanto mais cache, mais oportunidades dos algoritmos de predição acertarem qual o próximo dado que os núcleos do processador vão precisar. Mas o die de um processador é um espaço disputadíssimo, com tudo na casa dos nanômetros, e cada espaço precisa ser explorado da forma mais eficiente possível.

Mais cache é bom, mas o espaço é limitado em um processador

Por isso raramente temos grandes quantidades de cache, especialmente nos níveis 1 e 2 (L1 e L2 cache), com apenas o L3 cache, um pouco mais afastado, mas ainda no mesmo interpositor do restante do processador, trazendo uma quantidade mais generosa. Porém, mesmo ele não vai longe, com um Ryzen 7 5800X trazendo 32MB de espaço, por exemplo.

O 3D V-Cache é uma solução para esse problema, viabilizando quantidade maiores de cache na mesma área do processador. A tecnologia foi apresentada inicialmente como um conceito durante o painel da AMD na Computex e CES de 2021. Ela consiste em empilhar um novo silício sobre o die do processador com grandes quantidades de memória, se comunicando com os núcleos do CPU através do Hybrid Bond, uma conectividade TSV (through-silicon-vias, ou vias através do silício, em uma tradução livre) com grande densidade de pontos de contato. A conexão do chiplet do 3D V-Cache em cima de cada complexo de núcleos é feita sem nenhuma solda ou coisa do tipo. Somente a força de atração do cobre entre os componentes mantém o núcleo e o chiplet 3D V-Cache preso um ao outro. A técnica reduz o calor e consumo de energia ao mesmo tempo que aumenta a largura da banda.

O resultado é que esse “segundo andar” torna possível obter impressionantes 96MB de L3 cache, sendo os 32MB já presentes na topologia original do processador mais 64MB empilhados acima, acessíveis com grande largura de banda e baixíssima latência pelos núcleos do CPU. A AMD já afirmou no passado recente que a pilha V-Cache pode ir até 8-hi, o que significa que um único CCD (chip de computação) pode tecnicamente oferecer até 512 MB de cache L3 por chip. Com tanto espaço, aumenta-se bastante a chance do processador encontrar um dado necessário ainda disponível no cache, e consequentemente, entregar mais performance. Nisso, um dos cenários com mais potencial de ganho é um bastante caro a muito do público do Adrena: games. 

Empilhar e colocar mais cache tem potencial para performance extra em games

Esse cache adicional é posicionado no centro, buscando evitar as laterais onde estão os núcleos de processamento do “andar inferior” e, por consequência, região de muito aquecimento. A AMD também precisou mudar altura de vários elementos para que, no fim, o Ryzen 7 5800X3D trouxesse a mesma altura que o die de todos os demais AMD Ryzen 5000 sem o 3D V-Cache, para não tornar as soluções de resfriamento atuais incompatíveis.

Mas a tecnologia também trouxe efeitos negativos, ao menos em sua implementação atual. A principal é que o 5800X3D não possui a capacidade de operar o cache e os núcleos de processamento em tensões elétricas diferentes. O resultado é que o overclock fica comprometido, já que forçar as tensões dos CPUs também bagunçariam o cache. Um 5800X3D pode ir a no máximo 1.35v, enquanto um 5800X tem seu limite em 1.5v, por exemplo.

Como já comentamos até aqui, o primeiro processador para usuários finais a receber a nova tecnologia 3D V-cache é o nosso modelo analisado, o Ryzen 7 5800X3D. No entanto, a AMD também está implementando o empilhamento de memória na terceira geração de CPUs EPYC Milan-X, voltados para servidores. A linha AMD EPYC Milan-X tem quatro processadores: o EPYC 7773X com 64 núcleos e 128 threads; o EPYC 7573X com 32 núcleos e 128 threads; o EPYC 7473X com 24 núcleos e 48 threads; e o EPYC 7373X com 16 núcleos e 32 threads. Em todos eles a quantidade de cache chega a impressionantes 768MB.

Já o futuro do 3D V-cache ainda é nebuloso. Leakers já mencionaram que, por enquanto, a tecnologia Zen 3D está sendo “empacotada” apenas em uma única linha de produção, o que pode significar que o estoque de lançamento do Ryzen 7 5800X3D pode ser limitado. Além disso, a produção de processadores Zen 4 com cache empilhado não começaria até que a produção de chips Zen 3D seja interrompida. Ou seja, a primeira leva de CPUS Ryzen 7000 possivelmente não traria o 3D V-cache, deixando esse “extra” para outros processadores que podem vir a ser lançados em 2023.

Para corroborar com essa hipótese, um relato divulgado pelo DigiTimes indica que os processadores Zen 5 da AMD podem ser adiados devido à prioridade de fabricação do processo de 3 nanômetros da TSMC. A produção voltada para a AMD, caso o “lado vermelho da força” realmente mantenha as negociações pelo nó mais recente da fabricante de semicondutores, começaria apenas no final de 2023, o que empurraria novos processadores para algum momento entre 2024 e 2025. Dessa forma, uma possibilidade levantada seria a AMD lançar seus produtos Zen 4 ainda este ano, para em 2023 trazer essa mesma arquitetura com 3D V-Cache e o Zen 5 em 2024. 

No entanto, devemos deixar claro que estas são apenas especulações e não temos informações oficiais dadas pela AMD sobre o futuro do 3D V-cache. 

Fotos

O Ryzen 7 5800X3D tem o tradicional formato de qualquer outro processador AM4. A AMD conseguiu reduzir levemente a altura interna para adicionar mais memórias L3 mantendo ainda a altura padrão e, dessa força, continua com a compatibilidade com os coolers AM4.

Sistema utilizado
Abaixo, detalhes sobre o sistema utilizado para os testes:

Máquinas utilizadas nos testes:
Todos os sistemas utilizaram componentes com mesmas características técnicas para os testes, com exceção da placa-mãe, que varia de acordo com a plataforma. Veja a configuração utilizada:

– Placa de vídeo: GeForce RTX 3080 Ti [análise]
– Memórias: 32GB (2x16GB) Kingston Fury Beast 3200MHz CL16
– SSD: 500GB para sistema e 2TB para games
– Cooler: Noctua NH-U12S
– Fonte de energia (PSU): Cooler Master V850 [site oficial]

A frequência das memórias é a máxima suportada pelo processador

Sistema Operacional e Drivers:
– Windows 11
– GeForce 512.xx

Aplicativos/Games:
– 7-Zip [site oficial]
– Adobe Premiere [site oficial]
– AIDA64 [site oficial]
– Blender [site oficial]
– CineBench R20 [site oficial]
– x264 Full HD Benchmark [download]
– V-Ray [site oficial]
– WinRAR 6.x [site oficial]

– 3DMark (DX11)
– Assassin´s Creed Odyssey (DX11)
– CyberPunk 2077 (DX12)
– Battlefield V (DX12)
– Counter-Strike Global Offense (DX11)
– Grand Theft Auto V (DX11)
– Red Dead Redemption (Vulkan)

CPU-Z/AIDA64
Através dos aplicativos CPU-Z e  AIDA64, vemos algumas informações técnicas do processador, como modelo, clocks, número de núcleos e threads, etc.

Plataforma em modo default com memórias DDR4 em 3200MHz

Sem Overclock no Ryzen 7 5800X3D

O Ryzen 7 5800X3D foi lançado sem overclock, de acordo com a AMD, devido problemas da tecnologia V-Cache 3D com altas tensões, necessárias para aumentar os clocks do processador. Alguns modders conseguiram fazer modificações em BIOS para tornar possível o processo com esse processador, mas não é recomendado.

Fizemos os testes de consumo de energia do sistema em modo ocioso e rodando o 3DMark, aplicativo que exige bastante do sistema.

É importante destacar que o consumo de energia depende bastante da placa-mãe e placa de vídeo, podendo variar consideravelmente de um sistema para outro com configurações semelhantes.

IDLE (Sistema ocioso)
Começamos pelo teste com o sistema em modo ocioso.

Rodando o 3DMark
Quando colocamos os sistemas rodando o 3DMark, temos os consumos abaixo:

Começamos pelos testes de temperatura, com o sistema em modo ocioso e rodando o Blender, aplicativo que “estressa” todos os núcleos dos processadores. Como de costume, sempre utilizamos o cooler Noctua NH-U12S como padrão, porém quando o processador traz um cooler box, também adicionamos os testes de temperatura com esse cooler para ter uma noção da diferença na dissipação entre diferentes tipos de projetos.

Todos os testes que não tem cooler mencionado no nome, utilizam o modelo Noctua NH-U12S

IDLE (Sistema ocioso)
Iniciamos com o sistema em modo ocioso, com o Windows em espera sem estar executando tarefas, além das tradicionais do sistema.

Rodando o Blender

É válido mencionar aqui que, em nossas recentes análises, trocamos o wPrime pelo Blender para os testes de temperatura. A mudança foi feita pois o wPrime estava apresentando resultados inconsistentes para os últimos produtos que testamos e não estava “puxando o hardware até o seu máximo”. O Blender se tornou mais interessante por ser amplamente usado e estressar mais os nossos componentes, sem as inconsistências que vinham acontecendo.

“A temperatura varia de acordo com o programa utilizado. Mesmo o wPrime estressando todos os núcleos sendo uma boa opção para ver o comportamento desse cenário, alguns programas podem exigir ainda mais do processador e, consequentemente, esquentar mais o mesmo. Como exemplo, citamos o Blender.”

“A temperatura varia de acordo com o programa utilizado. Mesmo o wPrime estressando todos os núcleos sendo uma boa opção para ver o comportamento desse cenário, alguns programas podem exigir ainda mais do processador e, consequentemente, esquentar mais o mesmo. Como exemplo, citamos o Blender.”

Abaixo, temos uma série de testes de desempenho com o sistema, comparando o processador analisado com outros modelos do mercado e fazendo exatamente os mesmos testes. Os testes consideram diferentes cenários de uso do processador e de outros componentes associados a dar mais desempenho ao sistema.

Dependendo a plataforma, os testes podem considerar diferente padrões de memória

Procuramos testes de benchmarks para mostrar vários cenários bem distintos, desde uso profissional, como o editor de vídeo Adobe Premiere, até testes em jogos.

Alguns testes podem tirar maior proveito de CPUs com clocks mais altos, independente da arquitetura e do número de núcleos/threads. Já outros podem tirar mais proveito de mais núcleos/threads

Adobe Premiere CC
Mais um teste de renderização de vídeo, em um cenário real renderizando com o Adobe Premiere CC sem uso de GPU:

AIDA64 Latency
O software AIDA64 tem vários testes de performance. Separamos um que mostra um cenário diferente dos demais: a velocidade de latência das memórias. Para entender melhor: quanto menor o resultado, melhor.

Blender
O aplicativo Blender é voltado a profissionais de edição de filmes e manipulação de objetos 3D, sendo um bom teste real de como o sistema se comporta nesse tipo de cenário.

CineBENCH R23
O CineBench está entre os mais famosos testes de benchmarks para processadores, baseado em um teste convertendo uma imagem. Fizemos versões em Single e Multi Core com a versão R23:

V-Ray
O teste V-Ray Benchmark utilizado consiste no resultado de renderização do CPU. Quanto maior for o resultado, melhor é o desempenho.

x264 Full HD Benchmark
Em um teste de conversão de vídeo Full HD, temos os seguintes resultados:

7-Zip
O software de compactação 7-Zip se tornou um dos mais populares do mundo por se tratar de um aplicativo de código aberto, possuindo também um benchmark interno que vem sendo muito utilizado para métrica de performance. Abaixo, o desempenho dos sistemas com ele:

WinRAR
Outro bom teste para medir o comportamento do processador é o WinRAR, que consegue fazer bom uso de todos os cores.

3DMark
Começamos nossos testes com foco em vídeo com o 3DMark, na versão Fire Strike default e Ultra (4K).

Teste em games

Agora, vamos para os games. Selecionamos alguns dos principais títulos do mercado para mostrar como os processadores se comportam utilizando configurações semelhantes, sendo sempre a mesma config dos componentes utilizados.

Assassin´s Creed Valhalla
O game da Ubisoft baseado na tecnologia DirectX 12 é uma referência de software que demanda alto desempenho tanto do chip gráfico quanto do processador.

Battlefield V
Como um dos games com a melhor qualidade gráfica já lançados, o Battlefield V faz parte de nossa bateria de testes. Abaixo, o comportamento dos sistemas rodando o game da DICE.

Counter Strike: Global Ofensive
O game competitivo é baseado em DirectX 9 e, apesar das baixas exigências de performance na parte da placa de vídeo, por se tratar de um eSport, o ideal é alcançar altíssimas taxas de quadros, algo que traz alta carga tanto a CPU quanto GPU.

Cyberpunk 2077
Um dos maiores sucessos dos últimos tempos em games para PC é o Cyberpunk 2077, que agora faz parte de nossa bateria de testes. O game está rodando sobre a API DirectX 12.

GTA V
Grand Theft Auto V está entre os maiores sucessos dos últimos anos, trazendo entre seus destaques boa qualidade gráfica. Ele é um dos games que mais faz uso do CPU, sendo um ótimo teste para ver o comportamento e diferença entre esse componente. Confiram abaixo os resultados nesse game:

Red Dead Redemption 2
Game da RockStar, com belíssimos gráficos e uma boa referência para medir o comportamento de sistemas. Nosso teste considera o game rodando sobre a API Vulkan, que se comportou melhor tanto em placas AMD como Nvidia.

Rainbow Six Siege
O game de tiro tático da Ubisoft usa o motor AnvilNext e tem ótimo port para a API de baixo nível Vulkan. É um game bem otimizado para hardwares de entrada, mas que demanda muito poder computacional do processador e baixíssimas latências para atingir taxas de quadros elevadas.

Vídeo de gamepay

Conclusão

O Ryzen 7 5800X3D tem um paralelo com a AMD Radeon VII impossível de não se mencionar: ambas surgem na reta final de uma arquitetura da AMD, introduzindo um novo recurso. A Radeon VII trouxe os 7 nanômetros aos produtos baseados na microarquitetura Vega, algo que resultou em um produto muito desinteressante que seria descontinuado pouco depois. Esse processador é a mesma história? Não.

O Ryzen 7 5800X3D é o estreante de uma nova tecnologia

O 5800X3D introduz a tecnologia do 3D V-cache, que aumenta muito a quantidade de cache em nível 3 disponível no processador quase na “saideira” dos CPUs soquete AM4 da AMD. Mas, diferente da Radeon VII, ele não chega a ser um produto ruim, conseguindo entregando um nível de performance elevado e um preço mais competitivo que alguns rivais Intel.

A grande quantidade de cache nível 3 impacta em alguns cenários, mas eles são muito limitados. Ao longo dos testes vimos ele se sobressair em ciclos de compressão e descompressão de dados, como 7-Zip ou WinRAR, bem como momentos pontuais como Cyberpunk 2077. No resto do tempo, ele foi muito semelhante ou até pior que o Ryzen 7 5800X, sua versão com menos cache, que fica na frente por ter clocks levemente mais altos.

Os ganhos de performance do V-Cache são em cenários bem pontuais

Aqui vem um ponto negativo comum de novas tecnologias sendo introduzidas: suas limitações iniciais. O V-cache trouxe um problema para esse produto, que não tem controladores individuais de tensão para o cache adicional, criando dificuldades para atingir altas frequências nos núcleos e acabando com a possibilidade de overclock. Nada disso impede ele de entregar boa performance ao longo dos testes, mas bloqueou um recurso que pode interessar aos entusiastas, e é algo que implementações melhoradas no futuro devem resolver.

O Ryzen 7 5800X3D é uma amostra do que chiplets e mais Cache L3 podem fazer, em alguns momentos batendo produtos muito mais caros de rivais como a Intel, mas para a maioria dos usuários faz mais sentido ficar no bem mais barato e 99% do tempo igualmente eficiente Ryzen 7 5800X ou partir para um 5900X se você realmente precisa de mais desempenho.

O Ryzen 7 5800X3D mostra que o V-cache tem potencial, mas na prática não compensa o custo adicional frente a um Ryzen 7 5800X