¿Qué es la memoria caché de la CPU y es importante?

Con productos como el Ryzen 7 5800X3D ganando la corona como el mejor CPU para juegos, probablemente se esté preguntando qué es el caché de la CPU y por qué es tan importante en primer lugar. Ya sabemos que las próximas CPU Ryzen 7000 de AMD y los procesadores Raptor Lake de 13.ª generación de Intel se centrarán en más caché, lo que indica que esta será una especificación crítica en el futuro.

Pero, ¿debería preocuparse por el caché de la CPU? Vamos a desglosar qué es el caché de la CPU, por qué es tan importante y cómo puede marcar una gran diferencia si estás jugando.

¿Qué es la memoria caché de la CPU?

Caché es la cantidad de memoria que hay dentro la propia CPU, ya sea integrado en núcleos individuales o compartido entre algunos o todos los núcleos. Es una pequeña cantidad de memoria dedicada que vive directamente en el procesador para que su CPU no necesite obtener información de la RAM de su sistema cada vez que quiera hacer algo en su PC. Cada procesador tiene una pequeña cantidad de caché, las CPU más pequeñas obtienen quizás solo unos pocos kilobytes, mientras que las CPU grandes pueden tener muchos megabytes de caché.

Pero es posible que se pregunte por qué es necesario el caché cuando tenemos ram, especialmente cuando una sola barra de RAM puede tener varios gigabytes de memoria. Se trata de rendimiento. En la década de 1990, el ritmo de las mejoras de rendimiento entre las CPU y la RAM comenzó a hacerse evidente. Después de todo, los diseñadores de CPU se centraron en aumentar la velocidad, mientras que los diseñadores de RAM querían aumentar la capacidad y descuidaron la velocidad. Para los diseñadores de la CPU, esto fue un problema porque la velocidad de la RAM es un factor crucial en el rendimiento de la CPU. para muchas aplicaciones, y cuanto mayor sea la brecha CPU-RAM, más difícil será mejorar actuación.

El caché fue la solución. Aunque el caché tiene poca capacidad en comparación con la RAM, su alta velocidad lo compensa en la mayoría de los casos. Sin embargo, el caché no es perfecto. Su principal debilidad es el tamaño; el caché es físicamente grande para lo poco que puede almacenar. La memoria caché también es resistente a la reducción de nodos, por lo que, si bien los núcleos y otros componentes de una CPU pueden reducirse con bastante facilidad de una generación a otra, la memoria caché se reduce mucho menos. Esto hace que el caché sea un componente muy costoso de una CPU, que es una de las principales razones por las que el caché suele tener una cantidad tan pequeña de almacenamiento.

¿Cómo funciona el caché?

La adopción generalizada de la memoria caché resultó en implementaciones más matizadas de memoria caché y RAM hasta que terminó con la jerarquía de memoria, con caché en la parte superior, RAM en el medio y almacenamiento en el abajo. Este enfoque por niveles permite que los datos críticos para la CPU estén físicamente más cerca del procesador, lo que reduce la latencia y ayuda a que su PC se sienta ágil.

La caché tiene su propia jerarquía, o niveles de caché, que se dividen en caché L1, L2 y L3. Estos son todos los tipos de caché, pero realizan funciones ligeramente diferentes.

El caché L1 es el primer nivel de caché y también el más pequeño, generalmente dividido en instrucción L1 o L1i y datos L1 o L1d. Cada núcleo dentro de una CPU tiene su parte exclusiva de caché L1, que generalmente tiene solo unos pocos kilobytes de tamaño. El tipo de datos almacenados en la caché L1 es algo que la CPU acaba de usar o espera usar de manera inminente. Si la CPU necesita datos que no están en el caché L1, pasa al siguiente nivel: L2.

Al igual que la caché L1, la caché L2 suele ser exclusiva de un solo núcleo de CPU, pero en algunas CPU se comparte entre varios núcleos. También es mucho, mucho más grande; por ejemplo, cada núcleo P del Core i9-12900K tiene 80 kilobytes de caché L1, así como 1,25 megabytes de caché L2, casi 16 veces más. Sin embargo, los cachés más grandes tienen una latencia más alta, lo que significa que se necesita más tiempo para que se produzca la comunicación entre el núcleo de la CPU y el caché. Cuando las CPU quieren lograr cosas en cuestión de microsegundos o incluso nanosegundos, la latencia ligeramente más alta de la caché L2 sí importa. Si una CPU no puede encontrar los datos solicitados dentro del caché L2, pregunta al siguiente nivel: L3.

El caché L3 es un gran problema: se comparte entre algunos o todos los núcleos dentro de una CPU, y es grande. El 12900K tiene 30 MB de caché L3, por ejemplo, 24 veces la cantidad de caché L2. La latencia de la caché L3 es incluso peor que la L2, pero tener una caché L3 grande es realmente importante para evitar que la CPU necesite pedirle a la RAM los datos necesarios. Excepto por el almacenamiento, la RAM tiene la peor velocidad y latencia en la jerarquía de la memoria, y cada vez que la CPU necesita acceder a la RAM para obtener los datos requeridos, todo se detiene. Idealmente, todo lo importante se almacenará al menos dentro del caché L3 para evitar una desaceleración masiva.

Algunas CPU incluso tienen caché L4, pero generalmente funciona como RAM que está en el paquete de la CPU. Algunas de las primeras CPU de 14 nm de Intel basadas en la arquitectura Broadwell incluían 128 MB de DRAM integrada y la Las próximas CPU de servidor Sapphire Rapids de la compañía pueden venir con HBM2, que se usa como un nivel adicional de cache.

¿Importa el caché de la CPU para los juegos?

El caché de la CPU hace una gran diferencia para juegos Aunque tradicionalmente se ha dicho que el rendimiento de un solo subproceso, las instrucciones por reloj (IPC) y la velocidad del reloj son los más factores importantes en el rendimiento de los juegos, se ha vuelto muy claro que el caché es probablemente el factor más importante de todos en la rivalidad entre AMD e Intel.

El caché es tan importante para los juegos debido a cómo se diseñan los juegos hoy en día. Los juegos modernos tienen mucha aleatoriedad, lo que significa que la CPU necesita ejecutar instrucciones simples constantemente. Sin suficiente caché, su tarjeta gráfica se ve obligada a esperar en su CPU mientras las instrucciones se acumulan y causar un cuello de botella. Puede ver un ejemplo de la gran diferencia que hace con V-caché 3D de AMD tecnología en muy lejos 6 abajo.

Hemos visto una tendencia hacia más caché para juegos en los últimos años. Las CPU Ryzen 3000 de AMD tenían el doble de caché L3 que la generación anterior y eran mucho más rápidas para jugar, casi alcanzando a Intel. Cuando se lanzó Ryzen 5000, AMD no agregó más caché, pero unificó los dos bloques de caché L3 dentro de la CPU, lo que redujo en gran medida la latencia y puso a AMD a la cabeza en rendimiento de juegos. AMD se duplicó con su tecnología 3D V-Cache en el Ryzen 7 5800X3D, que apila un chip de 64 MB de caché L3 en la parte superior de la CPU para un total de 96 MB, incluso más que el buque insignia Ryzen 9 5950X.

Intel ha estado tratando de ponerse al día con AMD, y sus CPU Alder Lake de generación actual tienen hasta 30 MB de Caché L3, que es significativamente menor que la mayoría de las CPU Ryzen, pero también tienen mucho más L1 y L2 cache. Sin embargo, la desventaja de Intel en la capacidad L3 no significa que las CPU Ryzen 5000 sean mucho más rápidas para jugar. En nuestra revisión del Core i9-12900K, descubrimos que el 12900K estaba empatado con el Ryzen 9 5950X para el rendimiento de los juegos.

Es casi seguro que la carrera por el caché continuará con el próximo CPU Ryzen 7000 y Raptor Lake. Se confirma que Ryzen 7000 tiene el doble de caché L2 que Ryzen 5000, y probablemente veremos más CPU usando V-Cache. Mientras tanto, Intel no tiene su propia versión de V-Cache, pero se rumorea que Raptor Lake tiene mucho más caché L3 que Alder Lake, solo en la propia CPU.

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