Che cos'è la cache della CPU ed è importante?

Con prodotti come Ryzen 7 5800X3D che si guadagnano la corona come il la migliore CPU per i giochi, probabilmente ti starai chiedendo cos'è la cache della CPU e perché è un grosso problema in primo luogo. Sappiamo già che le prossime CPU Ryzen 7000 di AMD e i processori Raptor Lake di 13a generazione di Intel si concentreranno su più cache, segnalando che questa sarà una specifica critica in futuro.

Ma dovresti preoccuparti della cache della CPU? Analizzeremo cos'è la cache della CPU, perché è così importante e come può fare un'enorme differenza se giochi.

Cos'è la cache della CPU?

La cache è la quantità di memoria che si trova all'interno la CPU stessa, integrati in singoli core o condivisi tra alcuni o tutti i core. È un po' di memoria dedicata che vive direttamente sul processore in modo che la tua CPU non abbia bisogno di recuperare informazioni dalla RAM del tuo sistema ogni volta che vuoi fare qualcosa sul tuo PC. Ogni processore ha una piccola quantità di cache, con CPU più piccole che ottengono forse solo pochi kilobyte mentre CPU di grandi dimensioni possono avere molti megabyte di cache.

Ma potresti chiederti perché la cache è necessaria quando abbiamo RAM, specialmente quando un singolo stick di RAM può avere diversi gigabyte di memoria. Si tratta di prestazioni. Negli anni '90, il ritmo dei miglioramenti delle prestazioni tra CPU e RAM ha iniziato a diventare evidente. Dopotutto, i progettisti di CPU si sono concentrati sull'aumento della velocità, mentre i progettisti di RAM volevano aumentare la capacità e hanno trascurato la velocità. Per i progettisti della CPU, questo era un problema perché la velocità della RAM è un fattore cruciale nelle prestazioni della CPU per molte applicazioni e maggiore è il divario CPU-RAM, più difficile sarebbe migliorare prestazione.

La cache era la soluzione. Sebbene la cache abbia poca capacità rispetto alla RAM, la sua alta velocità compensa nella maggior parte dei casi. La cache non è perfetta, tuttavia. La sua principale debolezza è la dimensione; cache è fisicamente grande per quanto poco può memorizzare. La cache è anche resistente al restringimento dei nodi, quindi mentre i core e gli altri componenti in una CPU possono ridursi abbastanza facilmente da una generazione all'altra, la cache si riduce molto meno. Ciò rende la cache un componente molto costoso di una CPU, che è uno dei motivi principali per cui la cache di solito ha una quantità di spazio di archiviazione così ridotta.

Come funziona la cache?

L'adozione mainstream della cache ha portato a implementazioni più sfumate di cache e RAM fino a noi finì con la gerarchia della memoria, con la cache in cima, la RAM nel mezzo e l'archiviazione in quella metter il fondo a. Questo approccio a più livelli consente ai dati critici per la CPU di essere fisicamente più vicini al processore, riducendo la latenza e aiutando il tuo PC a sentirsi scattante.

La cache ha una propria gerarchia, o livelli di cache, che sono suddivisi in cache L1, L2 e L3. Questi sono tutti i tipi di cache, ma svolgono funzioni leggermente diverse.

La cache L1 è il primo livello di cache e anche il più piccolo, solitamente suddiviso in istruzione L1 o L1i e dati L1 o L1d. Ogni core all'interno di una CPU ha il suo pezzo esclusivo di cache L1, che di solito è grande solo pochi kilobyte. Il tipo di dati archiviati nella cache L1 è roba che la CPU ha appena utilizzato o prevede di utilizzare a breve. Se la CPU necessita di dati che non si trovano nella cache L1, passa al livello successivo: L2.

Come la cache L1, la cache L2 è spesso esclusiva per un singolo core della CPU, ma in alcune CPU è condivisa tra più core. È anche molto, molto più grande; ad esempio, ogni P-core nel Core i9-12900K ha 80 kilobyte di cache L1, oltre a 1,25 megabyte di cache L2, quasi 16 volte di più. Tuttavia, le cache più grandi hanno una latenza più elevata, il che significa che la comunicazione tra il core della CPU e la cache richiede più tempo. Quando le CPU vogliono realizzare le cose in una questione di microsecondi o addirittura nanosecondi, la latenza leggermente più alta della cache L2 è importante. Se una CPU non riesce a trovare i dati richiesti all'interno della cache L2, chiede il livello successivo: L3.

La cache L3 è un grosso problema: è condivisa tra alcuni o tutti i core all'interno di una CPU ed è grande. Il 12900K ha 30 MB di cache L3, ad esempio, 24 volte la quantità di cache L2. La latenza della cache L3 è persino peggiore di L2, ma avere una cache L3 di grandi dimensioni è davvero importante per evitare che la CPU debba chiedere alla RAM i dati necessari. Fatta eccezione per l'archiviazione, la RAM ha la velocità e la latenza peggiori nella gerarchia della memoria e ogni volta che la CPU deve accedere alla RAM per i dati richiesti, le cose si fermano. Idealmente, qualsiasi cosa importante verrà archiviata almeno nella cache L3 per evitare un enorme rallentamento.

Alcune CPU hanno anche la cache L4, ma di solito funziona come RAM che si trova nel pacchetto della CPU. Alcune delle prime CPU Intel a 14 nm basate sull'architettura Broadwell includevano 128 MB di DRAM incorporata e il le prossime CPU server Sapphire Rapids dell'azienda possono essere fornite con HBM2, che viene utilizzato come un ulteriore livello di cache.

La cache della CPU è importante per i giochi?

La cache della CPU fa una grande differenza per il gioco. Sebbene le prestazioni a thread singolo, le istruzioni per clock (IPC) e la velocità di clock siano state tradizionalmente considerate le massime fattori importanti nelle prestazioni di gioco, è diventato molto chiaro che la cache è probabilmente il fattore più importante di tutti nella rivalità fra AMD e Intel.

La cache è così importante per i giochi a causa del modo in cui i giochi sono progettati oggi. I giochi moderni hanno molta casualità, il che significa che la CPU deve costantemente eseguire semplici istruzioni. Senza cache sufficiente, la tua scheda grafica è costretta ad attendere sulla tua CPU mentre le istruzioni si accumulano e causare un collo di bottiglia. Puoi vedere un esempio di quanta differenza fa con V-Cache 3D di AMD tecnologia dentro Grido lontano 6 sotto.

Negli ultimi anni abbiamo assistito a una tendenza verso una maggiore cache per i giochi. Le CPU Ryzen 3000 di AMD avevano il doppio della cache L3 rispetto alla generazione precedente ed erano molto più veloci per i giochi, raggiungendo quasi Intel. Quando Ryzen 5000 è stato lanciato, AMD non ha aggiunto più cache, ma ha unificato i due blocchi di cache L3 all'interno della CPU, il che ha ridotto notevolmente la latenza e ha messo AMD in testa per le prestazioni di gioco. AMD ha raddoppiato con la sua tecnologia 3D V-Cache su Ryzen 7 5800X3D, che impila un chip da 64 MB di cache L3 sopra la CPU per un totale di 96 MB, più persino dell'ammiraglia Ryzen 9 5950X.

Intel ha giocato al passo con AMD e le sue CPU Alder Lake della generazione attuale hanno fino a 30 MB di Cache L3, che è significativamente inferiore alla maggior parte delle CPU Ryzen, ma hanno anche molte più L1 e L2 cache. Tuttavia, lo svantaggio di Intel nella capacità L3 non significa che le CPU Ryzen 5000 siano molto più veloci per i giochi. Nella nostra recensione del Core i9-12900K, abbiamo scoperto che il 12900K era legato al Ryzen 9 5950X per le prestazioni di gioco.

La corsa alla cache continuerà quasi sicuramente con l'imminente CPU Ryzen 7000 e Raptor Lake. È confermato che Ryzen 7000 ha il doppio della cache L2 di Ryzen 5000 e probabilmente vedremo più CPU che utilizzano V-Cache. Nel frattempo, Intel non ha una propria versione di V-Cache, ma si dice che Raptor Lake abbia molta più cache L3 di Alder Lake, solo nella CPU stessa.

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