CPU キャッシュとは何ですか? それは重要ですか?

Ryzen 7 5800X3D のような製品が、 ゲームに最適なCPUおそらく、CPU キャッシュとは何なのか、そもそもなぜそれほど重要なのか疑問に思っているでしょう。 AMD の次期 Ryzen 7000 CPU とインテルの第 13 世代 Raptor Lake プロセッサーがより多くのキャッシュに重点を置くことはすでにわかっており、これが将来的に重要な仕様になることを示しています。

しかし、CPU キャッシュを気にする必要があるでしょうか? CPU キャッシュとは何なのか、なぜそれほど重要なのか、そしてゲームにどのように大きな違いをもたらすのかを詳しく説明します。

CPUキャッシュとは何ですか?

キャッシュとは、内部にあるメモリの量です。 CPU自体、個々のコアに統合されるか、一部またはすべてのコア間で共有されます。 これはプロセッサ上に直接存在する小さな専用メモリであり、PC で何かを行うたびに CPU がシステム RAM から情報をフェッチする必要がなくなります。 すべてのプロセッサには少量のキャッシュがあり、小型の CPU ではおそらく数キロバイトしか取得できませんが、大型の CPU では数メガバイト相当のキャッシュを保持できます。

しかし、そもそもなぜキャッシュが必要なのか疑問に思われるかもしれません。 RAMがあるとき特に 1 つの RAM スティックに数ギガバイトのメモリを搭載できる場合はそうです。 すべてはパフォーマンスに関するものです。 1990 年代になると、CPU と RAM 間のパフォーマンス向上のペースが明らかになり始めました。 結局のところ、CPU 設計者は速度の向上に重点を置いていましたが、RAM 設計者は容量の増加を望んで速度を無視していました。 RAM 速度は CPU パフォーマンスの重要な要素であるため、CPU 設計者にとって、これは問題でした。 多くのアプリケーションでは、CPU と RAM のギャップが大きくなるほど、改善するのが難しくなります。 パフォーマンス。

キャッシュが解決策でした。 キャッシュは RAM に比べて容量が少ないですが、ほとんどの場合、その高速性がそれを補ってくれます。 ただし、キャッシュは完璧ではありません。 その主な弱点はサイズです。 キャッシュは、保存できる量が少ない割に物理的に大きいです。 キャッシュはノードの縮小に対しても回復力があるため、CPU 内のコアやその他のコンポーネントは世代間で非常に簡単に縮小する可能性がありますが、キャッシュの縮小ははるかに少なくなります。 このため、キャッシュは CPU の非常に高価なコンポーネントになります。これが、通常、キャッシュのストレージ容量が非常に少ない主な理由の 1 つです。

キャッシュはどのように機能しますか?

キャッシュの主流の採用により、キャッシュと RAM の実装はより微妙なものになりました。 最終的には、キャッシュが最上位、RAMが中間、ストレージが最上位にあるメモリ階層になりました。 下。 この段階的なアプローチにより、CPU の重要なデータを物理的にプロセッサに近づけることができるため、遅延が短縮され、PC の動作が快適になります。

キャッシュには独自の階層、つまりキャッシュ レベルがあり、L1、L2、および L3 キャッシュに分割されます。 これらはあらゆる種類のキャッシュですが、実行する機能は若干異なります。

L1 キャッシュはキャッシュの第 1 レベルであり、最小レベルでもあり、通常は L1 命令 (L1i) と L1 データ (L1d) に分割されます。 CPU 内の各コアには、L1 キャッシュの専用チャンクがあり、そのサイズは通常わずか数キロバイトです。 L1 キャッシュに保存されるデータの種類は、CPU が使用したばかり、またはすぐに使用すると予想されるものです。 CPU が L1 キャッシュにないデータを必要とする場合、次のレベルである L2 に進みます。

L1 キャッシュと同様、L2 キャッシュは単一の CPU コア専用であることが多いですが、一部の CPU では複数のコア間で共有されます。 それはまた、はるかに大きいです。 たとえば、Core i9-12900K の各 P コアには、80 キロバイトの L1 キャッシュと、ほぼ 16 倍の 1.25 メガバイトの L2 キャッシュがあります。 ただし、キャッシュが大きいほどレイテンシが高くなります。つまり、CPU コアとキャッシュ間の通信に時間がかかることになります。 CPU が数マイクロ秒、さらにはナノ秒以内に処理を完了したい場合、L2 キャッシュのわずかに長い遅延が重要になります。 CPU は、要求されたデータを L2 キャッシュ内で見つけることができない場合、次のレベルである L3 に問い合わせます。

L3 キャッシュは重要です。CPU 内の一部またはすべてのコア間で共有され、そのサイズは大きくなります。 12900K には、たとえば、L2 キャッシュの 24 倍に相当する 30 MB の L3 キャッシュがあります。 L3 キャッシュのレイテンシは L2 よりもさらに悪いですが、CPU が必要なデータを RAM に要求する必要をなくすためには、大規模な L3 キャッシュを持つことが非常に重要です。 ストレージを除けば、RAM はメモリ階層の中で速度と遅延が最も悪く、CPU が必要なデータを取得するために RAM にアクセスする必要があるたびに、処理が停止してしまいます。 理想的には、大幅な速度低下を防ぐために、重要なものはすべて少なくとも L3 キャッシュ内に保存されることになります。

一部の CPU には L4 キャッシュもありますが、通常は CPU パッケージ上の RAM として機能します。 Broadwell アーキテクチャに基づくインテルの最初の 14nm CPU の一部には、128MB の組み込み DRAM が含まれていました。 同社の今後の Sapphire Rapids サーバー CPU には HBM2 が搭載されており、これは一種の追加レベルのように使用されます。 キャッシュ。

CPUキャッシュはゲームにとって重要ですか?

CPU キャッシュは大きな違いを生みます ゲーム用。 シングルスレッドのパフォーマンス、クロックあたりの命令数 (IPC)、およびクロック速度は伝統的に最も優れていると言われています。 ゲームのパフォーマンスには重要な要素が含まれていますが、おそらくキャッシュが競合関係のすべての要素の中で最も重要な要素であることが非常に明らかになりました。 間 AMDとインテル.

今日のゲームの設計方法により、キャッシュはゲームにとって非常に重要です。 最近のゲームにはランダム性が多く、CPU は常に単純な命令を実行する必要があります。 十分なキャッシュがないと、グラフィックス カードは命令が積み重なって CPU で待機することになります。 ボトルネックを引き起こす. どれだけの違いが生じるかの例を見ることができます。 AMDの3D Vキャッシュ の技術 ファークライ6 下。

近年、ゲーム用のキャッシュが増加する傾向にあります。 AMD の Ryzen 3000 CPU は、前世代の 2 倍の L3 キャッシュを備え、ゲーム速度が大幅に向上し、Intel にほぼ追いつきました。 Ryzen 5000 が発売されたとき、AMD はキャッシュを追加しませんでしたが、CPU 内の L3 キャッシュの 2 つのブロックを統合し、レイテンシを大幅に短縮し、AMD をゲーム パフォーマンスでリードしました。 AMD は、3D V キャッシュ テクノロジーをさらに強化しました。 Ryzen 7 5800X3D、CPU の上に L3 キャッシュの 64 MB チップをスタックし、合計 96 MB となり、フラッグシップ Ryzen 9 5950X よりも多くなります。

Intel は AMD に追いつき続けており、その現行世代の Alder Lake CPU は最大 30MB の容量を備えています。 L3 キャッシュは、ほとんどの Ryzen CPU よりも大幅に少ないですが、より多くの L1 および L2 も備えています キャッシュ。 ただし、L3 容量における Intel の不利な点は、Ryzen 5000 CPU がゲーム用にはるかに高速であることを意味するものではありません。 Core i9-12900Kのレビューでは, 12900K はゲームパフォーマンスに関して Ryzen 9 5950X と同等であることがわかりました。

キャッシュをめぐる競争は、今後もほぼ確実に続くでしょう。 Ryzen 7000 および Raptor Lake CPU. Ryzen 7000 は Ryzen 5000 の 2 倍の L2 キャッシュを備えていることが確認されており、おそらく V-Cache を使用する CPU がさらに増えるでしょう。 一方、Intel には独自バージョンの V-Cache はありませんが、Raptor Lake は CPU 自体にだけでも Alder Lake よりもはるかに多くの L3 キャッシュを備えていると噂されています。

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