Wat is CPU-cache en is het belangrijk?

Met producten zoals de Ryzen 7 5800X3D die de kroon verdienen als de beste CPU voor gamen, vraag je je waarschijnlijk af wat CPU-cache is en waarom het in de eerste plaats zo belangrijk is. We weten al dat AMD's aankomende Ryzen 7000 CPU's en Intel's 13e generatie Raptor Lake-processors zich zullen richten op meer cache, wat aangeeft dat dit in de toekomst een kritieke specificatie zal zijn.

Maar moet u zich zorgen maken over CPU-cache? We gaan uitsplitsen wat CPU-cache is, waarom het zo belangrijk is en hoe het een enorm verschil kan maken als je aan het gamen bent.

Wat is CPU-cache?

Cache is de hoeveelheid geheugen die erin zit de cpu zelf, ofwel geïntegreerd in individuele kernen of gedeeld tussen enkele of alle kernen. Het is een klein beetje speciaal geheugen dat rechtstreeks op de processor leeft, zodat uw CPU niet elke keer informatie uit uw systeem-RAM hoeft op te halen als u iets op uw pc wilt doen. Elke processor heeft een kleine hoeveelheid cache, waarbij kleinere CPU's misschien maar een paar kilobytes krijgen, terwijl grote CPU's vele megabytes aan cache kunnen hebben.

Maar je vraagt ​​je misschien af ​​waarom cache überhaupt nodig is als we RAM hebben, vooral wanneer een enkele RAM-stick meerdere gigabytes aan geheugen kan hebben. Het draait allemaal om prestaties. In de jaren negentig begon het tempo van prestatieverbeteringen tussen CPU's en RAM duidelijk te worden. CPU-ontwerpers waren immers gericht op het verhogen van de snelheid, terwijl RAM-ontwerpers de capaciteit wilden vergroten en de snelheid verwaarloosden. Voor de CPU-ontwerpers was dit een probleem omdat de RAM-snelheid een cruciale factor is in de CPU-prestaties voor veel toepassingen, en hoe groter de CPU-RAM-kloof werd, hoe moeilijker het zou zijn om te verbeteren prestatie.

Cache was de oplossing. Hoewel cache weinig capaciteit heeft in vergelijking met RAM, maakt de hoge snelheid dit in de meeste gevallen goed. Cache is echter niet perfect. De grootste zwakte is de grootte; cache is fysiek groot voor hoe weinig het kan opslaan. Cache is ook bestand tegen het verkleinen van knooppunten, dus hoewel de kernen en andere componenten in een CPU vrij gemakkelijk van de ene generatie op de andere kunnen krimpen, krimpt de cache veel minder. Dit maakt cache een erg duur onderdeel van een CPU, wat een van de belangrijkste redenen is waarom cache meestal zo weinig opslagruimte heeft.

Hoe werkt cachen?

De reguliere acceptatie van cache resulteerde in meer genuanceerde implementaties van cache en RAM totdat we eindigde met de geheugenhiërarchie, met cache bovenaan, RAM in het midden en opslag bovenaan onderkant. Dankzij deze gelaagde benadering kunnen kritieke gegevens voor de CPU fysiek dichter bij de processor worden geplaatst, waardoor latentie wordt verminderd en uw pc sneller aanvoelt.

Cache heeft zijn eigen hiërarchie of cacheniveaus, die zijn opgesplitst in L1-, L2- en L3-cache. Dit zijn allerlei soorten cache, maar ze hebben iets andere functies.

L1-cache is het eerste cacheniveau en ook het kleinste, meestal verdeeld in L1-instructie of L1i en L1-gegevens of L1d. Elke kern binnen een CPU heeft zijn exclusieve stuk L1-cache, dat meestal maar een paar kilobytes groot is. Het soort gegevens dat is opgeslagen in de L1-cache is materiaal dat de CPU zojuist heeft gebruikt of binnenkort zal gebruiken. Als de CPU gegevens nodig heeft die niet in de L1-cache staan, gaat hij naar het volgende niveau: L2.

Net als L1-cache is L2-cache vaak exclusief voor een enkele CPU-kern, maar in sommige CPU's wordt deze gedeeld door meerdere kernen. Het is ook veel, veel groter; elke P-core in de Core i9-12900K heeft bijvoorbeeld 80 kilobyte L1-cache en 1,25 megabyte L2-cache, bijna 16 keer zoveel. Grotere caches hebben echter een hogere latentie, wat betekent dat er meer tijd nodig is voor communicatie tussen de CPU-kern en de cache. Wanneer CPU's dingen willen bereiken in een kwestie van microseconden of zelfs nanoseconden, is de iets hogere latentie van L2-cache van belang. Als een CPU de gevraagde gegevens niet kan vinden in de L2-cache, vraagt ​​hij naar het volgende niveau: L3.

L3-cache is een groot probleem: het wordt gedeeld tussen sommige of alle kernen binnen een CPU, en het is groot. De 12900K heeft bijvoorbeeld 30 MB L3-cache, 24 keer de hoeveelheid L2-cache. De latentie van L3-cache is zelfs slechter dan die van L2, maar het hebben van een grote L3-cache is erg belangrijk om te voorkomen dat de CPU het RAM-geheugen om de benodigde gegevens moet vragen. Afgezien van opslag heeft RAM de slechtste snelheid en latentie in de geheugenhiërarchie, en wanneer de CPU toegang moet hebben tot het RAM voor de vereiste gegevens, komt het tot stilstand. Idealiter wordt al het belangrijke in ieder geval in de L3-cache opgeslagen om een ​​enorme vertraging te voorkomen.

Sommige CPU's hebben zelfs een L4-cache, maar deze functioneert meestal als RAM in het CPU-pakket. Enkele van de eerste 14nm-CPU's van Intel op basis van de Broadwell-architectuur bevatten 128 MB ingebed DRAM, en de de aankomende Sapphire Rapids-server-CPU's van het bedrijf kunnen worden geleverd met HBM2, dat wordt gebruikt als een extra niveau van cache.

Is CPU-cache van belang voor gaming?

CPU-cache maakt een groot verschil voor gamen. Hoewel single-threaded prestaties, instructies per klok (IPC) en kloksnelheid traditioneel het meest worden genoemd belangrijke factoren in spelprestaties, is het heel duidelijk geworden dat cache waarschijnlijk de belangrijkste factor is in de rivaliteit tussen AMD en Intel.

Cache is zo belangrijk voor gamen vanwege de manier waarop games tegenwoordig worden ontworpen. Moderne games hebben veel willekeur, wat betekent dat de CPU constant eenvoudige instructies moet uitvoeren. Zonder voldoende cache moet je grafische kaart wachten op je CPU terwijl de instructies zich opstapelen een knelpunt veroorzaken. Je kunt een voorbeeld zien van hoeveel verschil dat maakt met AMD's 3D V-cache technologie binnen Far Cry 6 onderstaand.

We hebben de afgelopen jaren een trend gezien naar meer cache voor gaming. AMD's Ryzen 3000 CPU's hadden twee keer zoveel L3-cache als de vorige generatie en waren veel sneller voor gaming, bijna Intel inhalend. Toen Ryzen 5000 werd gelanceerd, voegde AMD niet meer cache toe, maar verenigde het wel de twee blokken L3-cache binnen de CPU, wat de latentie aanzienlijk verminderde en AMD aan de leiding zette voor spelprestaties. AMD verdubbelde met zijn 3D V-Cache-technologie op de Ryzen 7 5800X3D, die een 64 MB-chip van L3-cache bovenop de CPU stapelt voor een totaal van 96 MB, meer dan zelfs het vlaggenschip Ryzen 9 5950X.

Intel heeft een inhaalslag gemaakt met AMD en de Alder Lake-CPU's van de huidige generatie hebben tot 30 MB aan L3-cache, wat aanzienlijk minder is dan de meeste Ryzen-CPU's, maar ze hebben ook veel meer L1 en L2 cache. Het nadeel van Intel in L3-capaciteit betekent echter niet dat Ryzen 5000 CPU's veel sneller zijn voor gaming. In onze Core i9-12900K review, ontdekten we dat de 12900K gekoppeld was aan de Ryzen 9 5950X voor spelprestaties.

De race om de cache zal de komende tijd vrijwel zeker doorgaan Ryzen 7000 en Raptor Lake CPU's. Er is bevestigd dat Ryzen 7000 tweemaal de L2-cache van Ryzen 5000 heeft, en we zullen waarschijnlijk meer CPU's zien die V-Cache gebruiken. Ondertussen heeft Intel geen eigen versie van V-Cache, maar het gerucht gaat dat Raptor Lake veel meer L3-cache heeft dan Alder Lake, alleen in de CPU zelf.

Aanbevelingen van de redactie

• De nieuwste V-Cache-chip van AMD blijkt goedkoop, snel en perfect om te gamen
• Hoe we pc-componenten en hardware testen
• Dit is waarom mensen zo boos zijn over het Starfield pc-nieuws van vandaag
• De beste pc-builds: budget, gaming, videobewerking en meer
• AMD heeft misschien zojuist MacBook-achtige gaming-laptops mogelijk gemaakt, maar ik ben nog steeds sceptisch