3D堆疊、多芯片封裝大家想必都不陌生了，這年頭制造工藝已經(jīng)沒有太多噱頭，有時(shí)甚至性能提升也有限，廠商只好從架構(gòu)上入手。像蘋果的UltraFusion拼接、Graphcore的3D WoW，都是在芯片設(shè)計(jì)廠商與晶圓廠強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合下的產(chǎn)物，我們今天要講的3D堆疊緩存也不例外。

96MB的超大3D V-Cache

把3D堆疊緩存先玩出來的不是別人，正是AMD。今年CES2022上公布的這款Ryzen7 5800X3D可以視為5800X的升級(jí)版，為原本的32MB 2D L3緩存加上了64MB的3D V-Cache緩存，使得總L3緩存達(dá)到了96MB。這種芯片堆疊方式與常見的C4和MicroBump不同，AMD用到了HybridBond3D技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了更高的密度、更好的熱管理和更好的連接性。

3D V-Cache示意圖 / AMD

不過，AMD對(duì)Ryzen7 5800X3D的定義是一款“游戲CPU”，這意味著在一些高性能計(jì)算場(chǎng)景下不一定會(huì)獲得更好的性能，評(píng)測(cè)軟件跑分可能也不比英特爾12代酷睿i9、AMD Ryzen9 5900系列這些旗艦處理器，但游戲表現(xiàn)相當(dāng)不俗。公布之際，AMD官方給出的FPS性能對(duì)比圖中，5800X3D與英特爾的i9-12900K在半數(shù)項(xiàng)目上持平，而半數(shù)項(xiàng)目上高出10%的性能，甚至超過了自家的Ryzen9 5900X。

Ryzen9 5900X與Ryzen7 5800X3D的性能對(duì)比 / AMD

近期，終于有搶跑的媒體展示了這塊處理器的游戲測(cè)試結(jié)果，測(cè)試對(duì)象為游戲《古墓麗影：暗影》。在720p分辨率的最高畫質(zhì)選項(xiàng)下，5800X3D跑出了231FPS的成績(jī)，比英特爾的i9-12900K高出了21.58%。你可能會(huì)問為何要用如此低的分辨率來進(jìn)行測(cè)試，這自然是為了消除GPU造成的影響，讓對(duì)比注重于純粹的CPU性能差異。

值得一提的是，測(cè)試結(jié)果中，5800X3D系統(tǒng)用到的是一塊3080Ti顯卡，而英特爾系統(tǒng)用到的是一塊性能更強(qiáng)的3090Ti顯卡，前者卻依然跑出了領(lǐng)先的層級(jí)，如此足見5800X3D在3D V-Cache加持下的實(shí)力了。

超算也能因此獲利？

除了這類高性能消費(fèi)級(jí)處理器外，HPC也開始看上了3D堆疊緩存的潛力，比如AMD的Milan-X服務(wù)器CPU。與游戲場(chǎng)景一樣，更大的緩存可以為諸多核心HPC應(yīng)用破除瓶頸。日本理化研究所（RIKEN）等一眾機(jī)構(gòu)和學(xué)府的研究人員拿AMD了兩塊AMD的服務(wù)器CPU進(jìn)行比較，一邊是256MB LLC的Milan，一邊是768MB LLC的Milan-X。從下圖可以看出，雖然隨著輸入變大優(yōu)勢(shì)逐漸變小，但輸入規(guī)模較小時(shí)，大緩存占據(jù)了絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。

Milan與Milan-X的性能對(duì)比 / RIKEN

這之后，幾位研究人員利用gem5模擬器，打造了兩種LARC處理器模型，均以1.5nm工藝打造，且都用到了大容量的3D堆疊緩存。這一處理器的設(shè)計(jì)參照了當(dāng)下超級(jí)計(jì)算機(jī)之王富岳中A64FX核心，都是基于Armv8.2架構(gòu)，只不過在1.5nm這樣的先進(jìn)工藝下，可以看出面積優(yōu)勢(shì)非常大，實(shí)現(xiàn)了近乎八倍的面積差異，如此一來核心數(shù)也從A64FX的12+1核堆上了32核。

A64FX和LARC的核心內(nèi)存組對(duì)比 / RIKEN

A64FX的L2緩存并不算大，只有8MB，而他們?cè)O(shè)計(jì)的LARC處理器模型增加了3D堆疊的L2緩存，足足384MB的L2緩存相較前者有了48倍的提升。不過RIKEN提供的gem5模擬器僅僅支持2X大小L2緩存配置，所以就有了256MB和512MB的版本。為了更精準(zhǔn)的對(duì)比，研究人員們也設(shè)計(jì)了32核的A64FX版本。

一半以上的測(cè)試應(yīng)用中，單個(gè)512MBLARC處理器的核心內(nèi)存組，要比A64FX高出兩倍以上的性能，而且這些提升中多半都?xì)w功于3D堆疊緩存，并非只靠?jī)杀兑陨系暮诵臄?shù)目。再結(jié)合面積上的優(yōu)勢(shì)，針對(duì)這些緩存敏感的應(yīng)用，單芯片的LARC處理器可以做到近10倍于A64FX的提升。不過這只是理論結(jié)果，畢竟現(xiàn)在既沒有1.5nm的工藝，也沒有基于芯片層級(jí)的實(shí)際測(cè)試對(duì)比，但確實(shí)為摩爾定律進(jìn)展緩慢下的性能改進(jìn)提供了另一個(gè)思路。

3D堆疊緩存的局限性

固然，這類3D堆疊的設(shè)計(jì)已經(jīng)相當(dāng)普遍了，但還有一個(gè)棘手的問題待設(shè)計(jì)者們優(yōu)化，那就是散熱。面向堆疊緩存的CPU核心勢(shì)必會(huì)面臨著熱能蓄積，溫度升高而降低效能的情況，而且尋常的散熱手段面對(duì)這種內(nèi)部積熱效果不佳。以AMD的3D V-Cache為例，雖然AMD巧妙地將堆疊緩存置于非計(jì)算核心上，但也只是略有緩解，L3緩存與3D V-Cache很可能也會(huì)面臨積熱的難題。

從最近的消息也可以看出一些端倪，AMD官方確認(rèn)首個(gè)利用3D V-Cache技術(shù)的CPU，Ryzen7 5800X3D并不支持核心、緩存超頻或核心電壓調(diào)整，這還是建立在5800X3D本就比5800X頻率低上0.4GHz的基礎(chǔ)上。更重要的是，AMD技術(shù)營(yíng)銷總監(jiān)Robert Hallock指出，這項(xiàng)技術(shù)目前還不算成熟，他們也許會(huì)在未來推出可超頻的型號(hào)，但AMD的重心還是在可超頻的非3D堆疊緩存處理器上。

這就很好理解了，目前無論是工藝還是材料都沒有辦法很好地解決3D堆疊緩存的散熱問題，根據(jù)幾位HPC研究人員的推測(cè)，相關(guān)的制造工藝或在2028年才能成熟，屆時(shí)將先進(jìn)到克服這一限制。不過在此之前，除了游戲外，3D堆疊緩存還不足以成為扭轉(zhuǎn)處理器市場(chǎng)的GameChanger，更像是一項(xiàng)“戰(zhàn)未來”的新技術(shù)。