Какво е кеш на процесора и важно ли е?

С продукти като Ryzen 7 5800X3D, които печелят короната като най-добрият процесор за игри, вероятно се чудите какво е кеш паметта на процесора и защо е толкова голяма работа на първо място. Вече знаем, че предстоящите процесори Ryzen 7000 на AMD и процесорите Raptor Lake от 13-то поколение на Intel ще се съсредоточат върху повече кеш памет, сигнализирайки, че това ще бъде критична спецификация в бъдеще.

Но трябва ли да ви е грижа за кеша на процесора? Ще разбием какво представлява кешът на процесора, защо е толкова важен и как може да направи огромна разлика, ако играете.

Какво е кеш на процесора?

Кешът е количеството памет, което е вътре самия процесор, интегрирани в отделни ядра или споделени между някои или всички ядра. Това е малка част от специална памет, която живее директно в процесора, така че вашият процесор не трябва да извлича информация от вашата системна RAM всеки път, когато искате да направите нещо на вашия компютър. Всеки процесор има малко количество кеш, като по-малките процесори получават може би само няколко килобайта, докато големите процесори могат да имат много мегабайти кеш.

Но може би се чудите защо изобщо е необходим кеш когато имаме RAM, особено когато един стик RAM може да има няколко гигабайта памет. Всичко опира до производителност. През 90-те години темпото на подобряване на производителността между процесорите и RAM започна да става очевидно. В края на краищата дизайнерите на CPU бяха фокусирани върху увеличаване на скоростта, докато дизайнерите на RAM искаха да увеличат капацитета и пренебрегнаха скоростта. За дизайнерите на процесора това беше проблем, тъй като скоростта на RAM е решаващ фактор за производителността на процесора за много приложения и колкото по-голяма е разликата CPU-RAM, толкова по-трудно би било да се подобри производителност.

Кешът беше решението. Въпреки че кешът има малък капацитет в сравнение с RAM, високата му скорост го компенсира в повечето случаи. Кешът обаче не е перфектен. Основната му слабост е размерът; кешът е физически голям за това колко малко може да съхранява. Кешът също е устойчив на свиване на възли, така че докато ядрата и другите компоненти в процесора могат да се свиват доста лесно от едно поколение на друго, кешът се свива много по-малко. Това прави кеша много скъп компонент на процесора, което е една от основните причини, поради които кешът обикновено има толкова малко място за съхранение.

Как работи кеша?

Основното приемане на кеша доведе до по-нюансирани реализации на кеша и RAM, докато не завърши с йерархията на паметта, с кеш в горната част, RAM в средата и съхранение в отдолу. Този многослоен подход позволява критични данни за процесора да бъдат физически по-близо до процесора, намалявайки латентността и помагайки на вашия компютър да се чувства бързо.

Кешът има собствена йерархия или кеш нива, които са разделени на L1, L2 и L3 кеш. Това са всички видове кеш памети, но те изпълняват малко по-различни функции.

L1 кеш паметта е първото ниво на кеша, а също и най-малкото, обикновено разделено на L1 инструкция или L1i и L1 данни или L1d. Всяко ядро ​​в CPU има своя изключителна част от L1 кеш паметта, която обикновено е голяма само няколко килобайта. Видът данни, съхранявани в L1 кеша, са неща, които процесорът току-що е използвал или очаква да използва скоро. Ако процесорът се нуждае от данни, които не са в L1 кеша, той преминава на следващото ниво: L2.

Подобно на L1 кеша, L2 кеша често е ексклузивен за едно ядро ​​на процесора, но в някои процесори той се споделя между множество ядра. Освен това е много, много по-голям; например всяко P-ядро в Core i9-12900K има 80 килобайта L1 кеш, както и 1,25 мегабайта L2 кеш, почти 16 пъти повече. По-големите кешове обаче имат по-висока латентност, което означава, че е необходимо повече време за осъществяване на комуникация между ядрото на процесора и кеша. Когато процесорите искат да постигнат нещо за микросекунди или дори наносекунди, малко по-високата латентност на L2 кеша има значение. Ако процесорът не може да намери исканите данни в L2 кеша, той пита следващото ниво: L3.

L3 кеш паметта е голяма работа: тя се споделя между някои или всички ядра в процесора и е голяма. 12900K има 30MB L3 кеш, например, 24 пъти повече от L2 кеш. Латентността на L3 кеша е дори по-лоша от L2, но наличието на голям L3 кеш е наистина важно, за да се предотврати необходимостта от CPU да иска RAM за необходимите данни. С изключение на съхранението, RAM има най-лошата скорост и латентност в йерархията на паметта и всеки път, когато процесорът има нужда от достъп до RAM за необходимите данни, нещата спират. В идеалния случай всичко важно ще се съхранява поне в L3 кеша, за да се предотврати масово забавяне.

Някои процесори дори имат L4 кеш, но той обикновено функционира като RAM, който е в пакета на процесора. Някои от първите 14nm процесори на Intel, базирани на архитектурата Broadwell, включват 128MB вградена DRAM, а предстоящите сървърни процесори Sapphire Rapids на компанията могат да се доставят с HBM2, който се използва като допълнително ниво на кеш памет.

Кешът на процесора има ли значение за игрите?

Кешът на процесора има голяма разлика за игри. Въпреки че производителността на една нишка, инструкциите на такт (IPC) и тактовата честота традиционно се смятат за най- важни фактори за производителността на игрите, стана много ясно, че кешът е може би най-важният фактор от всички в съперничеството между AMD и Intel.

Кешът е толкова важен за игрите поради начина, по който игрите са проектирани днес. Съвременните игри имат много произволност, което означава, че процесорът постоянно трябва да изпълнява прости инструкции. Без достатъчно кеш, вашата графична карта е принудена да чака на вашия процесор, докато инструкциите се натрупват и причиняват тясно място. Можете да видите пример колко голяма е разликата с 3D V-Cache на AMD технология в Far Cry 6 По-долу.

През последните години наблюдаваме тенденция към повече кеш памет за игри. Процесорите Ryzen 3000 на AMD имаха два пъти повече L3 кеш от предишното поколение и бяха много по-бързи за игри, почти настигайки Intel. Когато Ryzen 5000 стартира, AMD не добави повече кеш, но обедини двата блока L3 кеш памет в процесора, което значително намали закъснението и постави AMD начело по отношение на производителността на игрите. AMD удвои със своята 3D V-Cache технология на Ryzen 7 5800X3D, който подрежда 64MB чип L3 кеш върху процесора за общо 96MB, повече дори от водещия Ryzen 9 5950X.

Intel играе наваксващо изоставане с AMD и сегашното му поколение процесори Alder Lake имат до 30MB L3 кеш, което е значително по-малко от повечето процесори Ryzen, но те също имат много повече L1 и L2 кеш памет. Недостатъкът на Intel в капацитета L3 обаче не означава, че процесорите Ryzen 5000 са много по-бързи за игри. В нашия преглед на Core i9-12900K, открихме, че 12900K е свързан с Ryzen 9 5950X по отношение на производителността в игрите.

Състезанието за кеш почти сигурно ще продължи с предстоящия Процесори Ryzen 7000 и Raptor Lake. Ryzen 7000 е потвърдено, че има два пъти L2 кеш от Ryzen 5000 и вероятно ще видим повече процесори, използващи V-Cache. Междувременно Intel няма своя собствена версия на V-Cache, но се говори, че Raptor Lake има много повече L3 кеш от Alder Lake, само в самия процесор.

Препоръки на редакторите

• Най-новият V-Cache чип на AMD се оказа евтин, бърз и идеален за игри
• Как тестваме компютърни компоненти и хардуер
• Ето защо хората са толкова разстроени от днешните новини за PC Starfield
• Най-добрите компютърни компилации: бюджет, игри, редактиране на видео и др
• AMD може току-що да са активирали лаптопи за игри, подобни на MacBook, но все още съм скептичен