تحلیل سخت افزار: وجود نقطه ضعف در CCX و Cache پردازنده های AMD

حافظه کش از جمله مهمترین بخش های یک پردازنده (CPU)، کارت گرافیک (GPU) و تراشه های SOC را تشکیل می دهد. حافظه کش، نهان یا Cache عمدتا در 3 بخش متفاوت تحت عناوین L1، L2 و L3 مورد استفاده قرار می گیرد. کمپانی اینتل به عنوان نخستین برند، حافظه L4 را جهت استفاده ی پردازنده ی گرافیکی مجتمع با پردازنده های خود معرفی کرد که هم اینک در کلاس خانگی این بخش به 128 مگابایت حافظه مجهز است. حافظه کش (به غیر از کش گرافیکی) در پردازنده ها به چند شیوه مورد استفاده قرار می گیرد. مهمترین کارایی حافظه کش استفاده به عنوان حافظه میانی است؛ بدین ترتیب که این حافظه پلی بین رم (RAM) و CPU خواهد بود. حافظه کش به عنوان یک حافظه موقت، دسترسی تصادفی و بسیار پر سرعت به شمار می رود. این حافظه با قطع جریان برق DC، اطلاعات خود را از دست می دهد. Cache ها دارای سرعت بسیار بالا، حتی سریع تر از حافظه های SSD PCI و RAM ها هستند. پردازنده Job های خود را به دو شیوه در کش ذخیره می کند، ابتدا فایل هایی که از آنها بیش از هر فایل دیگری استفاده می کند و سپس آدرس فایل هایی که از آنها بیش از باقی فایل ها استفاده می گردد. بدین ترتیب پردازنده در ابتدا سطوح حافظه های کش را بررسی کرده و در صورتی که فایل مورد نظر خود در آنها باشید، دیگر به سراغ حافظه رم و سپس ذخیره ساز نمی رود. در غیر اینصورت مجددا به حافظه رم بازگشته و دستور ارائه فایل مورد نیاز خود را می دهد.

پردازنده های AMD Ryzen و یک حاشیه دیگر

پردازنده های AMD Ryzen تا کنون چندان درگیر حواشی فنی نبوده اند؛ به جز یک مورد که به فرکانس قابل پشتیبانی حافظه های رم باز می گردد؛ ظاهرا این شرکت با تولید کنندگان مادربرد وقت و هزینه های بسیار زیادی را صرف سازگاری حافظه ها کرده و این نتایج نیز به سختی به دست آمده است. در همین راستا به تازگی نتایج بنچمارکهای پردازنده های Ryzen در 3 مدل از پرچمداران این کمپانی منتشر شده است و همانطور که در شب گذشته نیز بدان پرداختیم، نتایج برخی از Review ها در پردازنده های این پلتفرم ناسازگاری های متعددی را نشان می دهد و تفاوت در نتایج بدست آمده نزدیک به یکدیگر نیست. از سوی دیگر رفتار پردازنده در پردازش های مشابه اما در نرم افزار های متفاوت، چندان منطقی به نظر نمی رسد. این در حالی است که در بنچمارکهایی مانند C15، این پردازنده ها امتیازات مناسبی را به ثبت رسانده اند. اما دلیل وجود این تفاوت ها در چیست؟ آیا تنها حافظه های رم موجب این اتفاق شد اند؟ پاسخ خیر است. مشکل در بخش حافظه های کش (Cache) پلتفرم ریزن است.

عدم کارایی در سطح انتظار از پردازنده های این کمپانی در برخی از برنامه های کاربردی، به دلیل وجود یک مشکل خاص در حافظه است؛ این شرکت در شب گذشته در پاسخ به سوال خبران نگران (آنلاین) اعلام کرده بود که 300 عنوان بازی در حال سازگار کردن با پردازنده های AMD Ryzen است، اینک از وضعیت مشابه در بخش های غیر گیمینگ و نرم افزارهای کاربردی خبر می دهد. برنامه نویسان در حال کار بر روی تولید نرم افزارهای سازگار با این پلتفرم هستند و این در حالی است که SR7 ها به عنوان برترین و سریع ترین پردازنده های این پلتفرم دارای یک نقطه ضعف هستند که AMD در حال برطرف کردن آنها در پردازنده های SR5 و SR3 است. مجموعه Hardware.fr به تازگی آزمون و آزمایش هایی را بر روی حافظه کش این پردازنده ها انجام داده و سپس آنها را با نمونه قدیمی AMD FX-8350 و Core i7-6900K مقایسه کرده است. این آزمایش ها که با تست هایی از نرم افزار AIDA 64 ادامه یافته است، نشان می دهد که AMD در بخش حافظه نهان L3 یک مشکل فنی دارد. Hardware.fr در مقاله خود اینگونه نوشته است: ((در صورتی که این مشکل از این پردازنده ها حذف می شد، آنها بی رقیب می شدند)). قضیه از این قرار است که میانگین زمان تاخیر (Latency) در حافظه های سطح L3 از پردازنده های Ryzen خصوصا AMD 1800X برابر با 90 میلی ثانیه است که این مقدار 30 میلی ثانیه از میانگین پرچمداران جهانی همچون Core i7-6900K بیشتر است. این زمان در میانگین 60 میلی ثانیه قرار دارد. جالب است بدانید که حتی این زمان از میانگین پردازنده ی قدیمی این شرکت به نام AMD FX-8350 نیز بیشتر است.

پردازنده های اینتل همچنان در بخش حافظه های L1 از پردازنده های AMD برتر بوده اما می دانیم که معماری های اخیر AMD به طور سنتی از الگوریتم هایی بهره می برند که حافظه های L2 را بیشتر مورد توجه قرار داده و حافظه های L2 این شرکت از اینتلی ها بهتر هستند. میانگین سطح دسترسی و پاسخ حافظه های L2 در AMD تا 2 میلی ثانیه (میانگین) کمتر از Intel است. اما در بخش کش های L3 پردازنده AMD 1800X تا 3X کندتر از Core i7-6900K عمل می کند. در پردازنده Core i7-6900K هر یک از کش های L1 دارای 32 کیلوبایت حافظه هستند؛ اینتل از عمد در طراحی این بخش از مقدار کم ظرفیت استفاده کرده است که این میزان به سرعت پر شده و بر روی L2 با ظرفیت 256 کیلوبایت سوئیچ می کند. در مرحله آخر نیز کش 20 مگابایتی L3 قرار دارد. اما زمانی که کمی بیش از 16 مگابایت از حافظه سطح L3 در این پردازنده چک شده و فایل مورد نظر پیدا نگردد، و یا ظرفیت در حال تکمیل باشد، پردازنده به طور خودکار پیامی را ارسال می کند که سریع تر به حافظه رم دسترسی پیدا کرده و این مسئله باعث تثبیت سرعت در پردازش های گوناگون می گردد. میانگین سرعت دسترسی این پردازنده به RAM نیز 70 میلی ثانیه است.

نکته: ترتیب حافظه های L1، L2 و  L3 همیشه بدین گونه نیست که اگر در یکی از کش ها آدرس و یا فایل مورد نیاز پیدا نشد، پردازنده به سراغ کش دیگر برود. هر سطح کاربرد خاص خود را دارد.

و اما داستان در AMD 1800X به گونه دیگری است؛ در حافظه های L1 و (L2 caches (32 KB and 512 KB, respectively همه چیز خوب است. اما در L3 همه چیز متفاوت است. پس از استفاده از 4 مگابایت حافظه نهان، ناگهان زمان تاخیر در این بخش افزایش پیدا می کند و زمانی که کش این بخش که دارای 16 مگابایت حافظه است به طور کامل پر می شود، دیگر این تاخیر (Latency) به اوج خود می رسد و نوعی سردرگمی در دسترسی آن دیده می شود. طراحی این پردازنده ها به گونه ای است که دسترسی هسته ها به حافظه نهان مقداری مستقیم و بدون واسطه تر از پردازنده های اینتل است. طراحی هسته های ZEN به گونه ای است برای کاربردهای مختلف خود بین 4 الی 8 مگابایت از ظرفیت کش L3 را اشغال می کند و بخش اعظمی از این حافظه توسط CCX قابل دسترسی است. از آنجایی که کش L3 نوعی کش قربانی است، نمی تواند برای جا به جایی اطلاعات خود از کش های L1 و L2 استفاده نماید. در نتیجه CCX نیز تنها محدود به 8 مگابایت فضا می گردد. حتی اگر طراحی به گونه ای باشد که CCX از تمام ظرفیت 16 مگابایتی استفاده نماید، باز هم پهنای باند در این بخش کمتر از میزان مورد انتظار می شود. پهنای باند به دست آمده توسط Data Fabric های CCX در این پردازنده، 22 گیگابایت در ثانیه است که می بایست 175 گیگابایت در ثانیه باشد و این مقدار حتی پایین تر از پهنای باند حافظه های رم است. پلتفرم AMD Ryzen مقیاس پذیر، خوش قیمت و دارای کارایی مناسبی است؛ از همه مهمتر موجبات کاهش قیمت اینتل را فراهم کرده است. با این وجود وجود این مسئله می تواند در بخش هایی خاص از عملکرد آن موثر باشد. به یاد داشته باشید که دلایل اصلی این تفاوت ها در Review های موجود نیز این مسئله مطلب روز گذشته است.