Co je mezipaměť CPU a je to důležité?

S produkty, jako je Ryzen 7 5800X3D, získávají korunu jako nejlepší CPU pro hry, pravděpodobně se ptáte, co je mezipaměť CPU a proč je to tak velký problém. Již víme, že nadcházející procesory AMD Ryzen 7000 a procesory Intel Raptor Lake 13. generace se zaměří na více mezipaměti, což signalizuje, že to bude v budoucnu kritická specifikace.

Ale měli byste se starat o mezipaměť CPU? Rozebereme, co je mezipaměť CPU, proč je tak důležitá a jak to může znamenat obrovský rozdíl, pokud hrajete.

Co je mezipaměť CPU?

Cache je množství paměti, která je uvnitř samotný CPU, buď integrované do jednotlivých jader, nebo sdílené mezi některými nebo všemi jádry. Je to malý kousek vyhrazené paměti, která žije přímo v procesoru, takže váš procesor nemusí načítat informace z vaší systémové RAM pokaždé, když chcete na počítači něco udělat. Každý procesor má malé množství mezipaměti, přičemž menší procesory dostávají možná jen několik kilobajtů, zatímco velké procesory mohou mít mezipaměť v hodnotě mnoha megabajtů.

Možná se ale ptáte, proč je keš vůbec nutná když máme RAM, zvláště když jedna paměť RAM může mít několik gigabajtů paměti. Vše je o výkonu. V devadesátých letech se začalo projevovat tempo zlepšování výkonu mezi CPU a RAM. Koneckonců, návrháři CPU se soustředili na zvýšení rychlosti, zatímco návrháři RAM chtěli zvýšit kapacitu a rychlost zanedbávali. Pro konstruktéry CPU to byl problém, protože rychlost RAM je rozhodujícím faktorem výkonu CPU pro mnoho aplikací, a čím větší bude mezera mezi CPU a RAM, tím těžší bude zlepšení výkon.

Řešením byla cache. Cache má sice malou kapacitu ve srovnání s RAM, ale její vysoká rychlost to ve většině případů vynahrazuje. Cache však není dokonalá. Jeho hlavní slabinou je velikost; cache je fyzicky velká na to, jak málo dokáže uložit. Cache je také odolná vůči zmenšování uzlů, takže zatímco jádra a další komponenty v CPU se mohou z jedné generace na druhou zmenšovat docela snadno, cache se zmenšuje mnohem méně. Díky tomu je mezipaměť velmi drahou součástí CPU, což je jeden z hlavních důvodů, proč má mezipaměť obvykle tak malé množství úložiště.

Jak cache funguje?

Běžné přijetí mezipaměti mělo za následek jemnější implementace mezipaměti a paměti RAM, dokud jsme my skončil s hierarchií paměti, s mezipamětí nahoře, RAM uprostřed a úložištěm dno. Tento víceúrovňový přístup umožňuje, aby kritická data pro CPU byla fyzicky blíže k procesoru, což snižuje latenci a pomáhá vašemu počítači působit svižně.

Cache má svou vlastní hierarchii neboli úrovně mezipaměti, které jsou rozděleny na mezipaměť L1, L2 a L3. Jedná se o všechny druhy mezipaměti, ale plní trochu jiné funkce.

L1 cache je první úrovní cache a také nejmenší, obvykle rozdělená na L1 instrukce nebo L1i a L1 data nebo L1d. Každé jádro v CPU má svou exkluzivní část mezipaměti L1, která je obvykle velká jen několik kilobajtů. Druh dat uložených v mezipaměti L1 je věc, kterou CPU právě použil nebo očekává, že bude bezprostředně používat. Pokud CPU potřebuje data, která nejsou v mezipaměti L1, přejde na další úroveň: L2.

Stejně jako mezipaměť L1 je mezipaměť L2 často exkluzivní pro jedno jádro CPU, ale v některých CPU je sdílena mezi více jádry. Je také mnohem, mnohem větší; například každé P-jádro v Core i9-12900K má 80 kilobajtů mezipaměti L1 a 1,25 MB vyrovnávací paměti L2, tedy téměř 16krát více. Větší mezipaměti však mají vyšší latenci, což znamená, že komunikace mezi jádrem CPU a mezipamětí trvá déle. Když CPU chtějí dosáhnout věcí v řádu mikrosekund nebo dokonce nanosekund, záleží na mírně vyšší latenci L2 cache. Pokud CPU nemůže najít požadovaná data v mezipaměti L2, zeptá se na další úroveň: L3.

Mezipaměť L3 je velká věc: je sdílena mezi některými nebo všemi jádry v rámci CPU a je velká. 12900K má 30 MB mezipaměti L3, například 24krát větší množství mezipaměti L2. Latence mezipaměti L3 je ještě horší než u L2, ale mít velkou mezipaměť L3 je opravdu důležité, aby se zabránilo CPU v nutnosti žádat RAM o potřebná data. Kromě úložiště má RAM nejhorší rychlost a latenci v paměťové hierarchii, a kdykoli CPU potřebuje získat přístup k RAM pro požadovaná data, věci se zastaví. V ideálním případě bude vše důležité ukládat alespoň do mezipaměti L3, aby se zabránilo masivnímu zpomalení.

Některé procesory mají dokonce mezipaměť L4, ale obvykle funguje jako RAM, která je součástí balení CPU. Některé z prvních 14nm procesorů Intel založených na architektuře Broadwell obsahovaly 128 MB vestavěné paměti DRAM a Připravované serverové CPU společnosti Sapphire Rapids mohou být dodávány s HBM2, který se používá jako další úroveň mezipaměti.

Má CPU cache význam pro hraní her?

Mezipaměť CPU dělá velký rozdíl pro hraní her. Ačkoli se tradičně říká, že výkon s jedním vláknem, instrukce na takt (IPC) a rychlost hodin důležitými faktory herního výkonu, je jasné, že mezipaměť je pravděpodobně nejdůležitějším faktorem ze všech v soupeření mezi AMD a Intel.

Cache je pro hraní her tak důležitá, protože hry jsou dnes navrženy. Moderní hry mají hodně náhodnosti, což znamená, že CPU neustále potřebuje provádět jednoduché instrukce. Bez dostatečné mezipaměti je vaše grafická karta nucena čekat na vašem CPU, jak se pokyny hromadí a způsobit úzké hrdlo. Můžete vidět příklad toho, jak velký rozdíl to znamená 3D V-Cache AMD technologie v Far Cry 6 níže.

V posledních letech jsme byli svědky trendu k většímu počtu vyrovnávací paměti pro hraní her. Procesory AMD Ryzen 3000 měly dvakrát více mezipaměti L3 než předchozí generace a byly mnohem rychlejší pro hraní her, téměř doháněly Intel. Když byl Ryzen 5000 uveden na trh, AMD nepřidalo více mezipaměti, ale sjednotilo dva bloky mezipaměti L3 v CPU, což výrazně snížilo latenci a dostalo AMD do vedení v oblasti herního výkonu. AMD zdvojnásobilo svou technologii 3D V-Cache Ryzen 7 5800X3D, který naskládá 64MB čip L3 mezipaměti na horní část CPU, celkem 96MB, což je více než dokonce i vlajková loď Ryzen 9 5950X.

Intel se snaží dohnat AMD a jeho současná generace procesorů Alder Lake má až 30 MB L3 cache, což je výrazně méně než většina CPU Ryzen, ale mají také mnohem více L1 a L2 mezipaměti. Nevýhoda Intelu v kapacitě L3 však neznamená, že procesory Ryzen 5000 jsou mnohem rychlejší pro hraní her. V naší recenzi Core i9-12900K, zjistili jsme, že 12900K byl svázán s Ryzen 9 5950X pro herní výkon.

Závod o keš bude téměř jistě pokračovat s nadcházejícím CPU Ryzen 7000 a Raptor Lake. Je potvrzeno, že Ryzen 7000 má dvojnásobnou L2 cache než Ryzen 5000 a pravděpodobně uvidíme více CPU využívajících V-Cache. Mezitím Intel nemá vlastní verzi V-Cache, ale říká se, že Raptor Lake má mnohem více mezipaměti L3 než Alder Lake, pouze v samotném CPU.

Doporučení redakce

• Nejnovější čip V-Cache od AMD se ukázal být levný, rychlý a ideální pro hraní her
• Jak testujeme PC komponenty a hardware
• Zde je důvod, proč jsou lidé tak naštvaní na dnešní zprávy Starfield PC
• Nejlepší PC sestavy: rozpočet, hry, střih videa a další
• AMD možná právě aktivovalo herní notebooky podobné MacBooku, ale stále jsem skeptický