Was ist CPU-Cache und ist er wichtig?

Mit Produkten wie dem Ryzen 7 5800X3D, der sich die Krone verdient beste CPU für SpieleSie fragen sich wahrscheinlich, was CPU-Cache ist und warum er überhaupt eine so große Sache ist. Wir wissen bereits, dass sich AMDs kommende Ryzen 7000-CPUs und Intels Raptor-Lake-Prozessoren der 13. Generation auf mehr Cache konzentrieren werden, was darauf hindeutet, dass dies eine kritische Spezifikation in der Zukunft sein wird.

Aber sollte Ihnen der CPU-Cache wichtig sein? Wir werden erklären, was CPU-Cache ist, warum er so wichtig ist und welchen großen Unterschied er beim Spielen machen kann.

Was ist CPU-Cache?

Cache ist die Menge an Speicher, die darin enthalten ist die CPU selbst, entweder in einzelne Kerne integriert oder von einigen oder allen Kernen gemeinsam genutzt. Dabei handelt es sich um einen kleinen dedizierten Speicher, der direkt auf dem Prozessor liegt, sodass Ihre CPU nicht jedes Mal, wenn Sie etwas auf Ihrem PC tun möchten, Informationen aus Ihrem System-RAM abrufen muss. Jeder Prozessor verfügt über eine kleine Menge Cache, wobei kleinere CPUs vielleicht nur ein paar Kilobyte erhalten, während große CPUs über viele Megabyte Cache verfügen können.

Aber Sie fragen sich vielleicht, warum Cache überhaupt notwendig ist wenn wir RAM haben, insbesondere wenn ein einzelner RAM-Stick über mehrere Gigabyte Speicher verfügen kann. Es geht um Leistung. In den 1990er Jahren begann sich das Tempo der Leistungsverbesserungen zwischen CPUs und RAM zu bemerkbar zu machen. Schließlich konzentrierten sich die CPU-Entwickler auf die Steigerung der Geschwindigkeit, während die RAM-Entwickler die Kapazität erhöhen wollten und die Geschwindigkeit vernachlässigten. Für die CPU-Designer stellte dies ein Problem dar, da die RAM-Geschwindigkeit ein entscheidender Faktor für die CPU-Leistung ist für viele Anwendungen, und je größer die CPU-RAM-Lücke wird, desto schwieriger wird es, sie zu verbessern Leistung.

Cache war die Lösung. Obwohl der Cache im Vergleich zum RAM über eine geringe Kapazität verfügt, macht die hohe Geschwindigkeit dies in den meisten Fällen wett. Der Cache ist jedoch nicht perfekt. Seine größte Schwäche ist die Größe; Der Cache ist physisch groß, da er so wenig speichern kann. Der Cache ist auch resistent gegen Knotenschrumpfungen. Während also die Kerne und andere Komponenten einer CPU von einer Generation zur nächsten recht leicht schrumpfen können, schrumpft der Cache deutlich weniger. Dies macht den Cache zu einer sehr teuren Komponente einer CPU, was einer der Hauptgründe dafür ist, dass der Cache normalerweise über eine so geringe Speichermenge verfügt.

Wie funktioniert der Cache?

Die allgemeine Einführung von Cache führte bis zu uns zu differenzierteren Implementierungen von Cache und RAM Am Ende entstand die Speicherhierarchie mit Cache an der Spitze, RAM in der Mitte und Speicher an der Spitze Unterseite. Durch diesen mehrstufigen Ansatz können kritische Daten für die CPU physisch näher am Prozessor platziert werden, was die Latenz reduziert und dafür sorgt, dass sich Ihr PC schnell anfühlt.

Der Cache verfügt über eine eigene Hierarchie oder Cache-Ebenen, die in L1-, L2- und L3-Cache unterteilt sind. Dabei handelt es sich um alle Arten von Caches, die jedoch leicht unterschiedliche Funktionen erfüllen.

Der L1-Cache ist die erste Ebene des Caches und auch die kleinste, normalerweise unterteilt in L1-Befehle oder L1i und L1-Daten oder L1d. Jeder Kern innerhalb einer CPU verfügt über seinen exklusiven Teil des L1-Cache, der normalerweise nur wenige Kilobyte groß ist. Bei den im L1-Cache gespeicherten Daten handelt es sich um Daten, die die CPU gerade verwendet hat oder die sie voraussichtlich bald verwenden wird. Wenn die CPU Daten benötigt, die sich nicht im L1-Cache befinden, wechselt sie zur nächsten Ebene: L2.

Wie der L1-Cache ist auch der L2-Cache häufig nur einem einzelnen CPU-Kern vorbehalten, bei einigen CPUs wird er jedoch von mehreren Kernen gemeinsam genutzt. Es ist auch viel, viel größer; Beispielsweise verfügt jeder P-Kern im Core i9-12900K über 80 Kilobyte L1-Cache sowie 1,25 Megabyte L2-Cache, also fast 16-mal so viel. Größere Caches weisen jedoch eine höhere Latenz auf, was bedeutet, dass die Kommunikation zwischen dem CPU-Kern und dem Cache länger dauert. Wenn CPUs Dinge innerhalb von Mikrosekunden oder sogar Nanosekunden erledigen wollen, ist die etwas höhere Latenz des L2-Cache von Bedeutung. Wenn eine CPU die angeforderten Daten nicht im L2-Cache finden kann, fragt sie nach der nächsten Ebene: L3.

Der L3-Cache ist eine große Sache: Er wird von einigen oder allen Kernen innerhalb einer CPU gemeinsam genutzt und ist groß. Der 12900K verfügt beispielsweise über 30 MB L3-Cache, also das 24-fache des L2-Cache. Die Latenz des L3-Cache ist noch schlimmer als die von L2, aber ein großer L3-Cache ist wirklich wichtig, um zu verhindern, dass die CPU den RAM nach benötigten Daten fragen muss. Abgesehen vom Speicher weist RAM die schlechteste Geschwindigkeit und Latenz in der Speicherhierarchie auf, und wann immer die CPU für erforderliche Daten auf den RAM zugreifen muss, kommt es zum Stillstand. Im Idealfall werden alle wichtigen Daten zumindest im L3-Cache gespeichert, um eine massive Verlangsamung zu verhindern.

Einige CPUs verfügen sogar über L4-Cache, dieser fungiert jedoch normalerweise als RAM, der sich auf dem CPU-Paket befindet. Einige der ersten 14-nm-CPUs von Intel, die auf der Broadwell-Architektur basierten, verfügten über 128 MB eingebetteten DRAM Die kommenden Sapphire Rapids-Server-CPUs des Unternehmens können mit HBM2 ausgestattet sein, das gewissermaßen als zusätzliche Stufe von verwendet wird Zwischenspeicher.

Ist der CPU-Cache für Spiele wichtig?

Der CPU-Cache macht einen großen Unterschied zum Spielen. Obwohl die Single-Thread-Leistung, die Anweisungen pro Takt (IPC) und die Taktrate traditionell am höchsten sind Wichtige Faktoren für die Spieleleistung: Es ist sehr deutlich geworden, dass der Cache wahrscheinlich der wichtigste Faktor überhaupt in der Rivalität ist zwischen AMD und Intel.

Cache ist für Spiele aufgrund der heutigen Gestaltung von Spielen so wichtig. Moderne Spiele sind sehr zufällig, was bedeutet, dass die CPU ständig einfache Anweisungen ausführen muss. Ohne ausreichend Cache muss Ihre Grafikkarte auf Ihre CPU warten, während sich die Anweisungen häufen und einen Engpass verursachen. Sie können ein Beispiel dafür sehen, wie viel Unterschied das macht AMDs 3D V-Cache Technologie in Far Cry 6 unter.

Wir haben in den letzten Jahren einen Trend zu mehr Cache für Spiele beobachtet. AMDs Ryzen 3000-CPUs verfügten über doppelt so viel L3-Cache wie die Vorgängergeneration und waren beim Spielen viel schneller, womit sie fast zu Intel aufschlossen. Als Ryzen 5000 auf den Markt kam, hat AMD nicht mehr Cache hinzugefügt, sondern die beiden Blöcke des L3-Cache innerhalb der CPU vereinheitlicht, was die Latenz erheblich reduziert und AMD an die Spitze der Gaming-Leistung gebracht hat. AMD hat mit seiner 3D-V-Cache-Technologie noch einmal nachgelegt Ryzen 7 5800X3D, der einen 64-MB-L3-Cache-Chip auf die CPU stapelt, also insgesamt 96 MB, mehr als sogar das Flaggschiff Ryzen 9 5950X.

Intel hat mit AMD aufgeholt und seine Alder-Lake-CPUs der aktuellen Generation verfügen über bis zu 30 MB L3-Cache, der deutlich kleiner ist als bei den meisten Ryzen-CPUs, aber sie verfügen auch über viel mehr L1 und L2 Zwischenspeicher. Der Nachteil von Intel bei der L3-Kapazität bedeutet jedoch nicht, dass Ryzen 5000-CPUs für Spiele viel schneller sind. In unserem Core i9-12900K-Testhaben wir festgestellt, dass der 12900K hinsichtlich der Spieleleistung mit dem Ryzen 9 5950X gleichauf liegt.

Der Wettlauf um den Cache wird mit ziemlicher Sicherheit auch im kommenden Jahr weitergehen Ryzen 7000- und Raptor Lake-CPUs. Es wurde bestätigt, dass der Ryzen 7000 über den doppelten L2-Cache des Ryzen 5000 verfügt, und wir werden wahrscheinlich mehr CPUs sehen, die V-Cache verwenden. Mittlerweile hat Intel keine eigene Version von V-Cache, aber Gerüchten zufolge soll Raptor Lake viel mehr L3-Cache als Alder Lake haben, und zwar allein in der CPU selbst.

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