Hva er CPU-cache, og er det viktig?

Med produkter som Ryzen 7 5800X3D som tjener kronen som beste CPU for spill, lurer du sannsynligvis på hva CPU-cache er og hvorfor det er så stor sak i utgangspunktet. Vi vet allerede at AMDs kommende Ryzen 7000 CPUer og Intels 13. generasjons Raptor Lake-prosessorer vil fokusere på mer cache, noe som signaliserer at dette vil være en kritisk spesifikasjon i fremtiden.

Men bør du bry deg om CPU-cache? Vi skal bryte ned hva CPU-cache er, hvorfor det er så viktig, og hvordan det kan utgjøre en enorm forskjell hvis du spiller.

Hva er CPU-cache?

Cache er mengden minne som er innenfor selve CPUen, enten integrert i individuelle kjerner eller delt mellom noen eller alle kjerner. Det er en liten bit av dedikert minne som bor direkte på prosessoren, slik at CPU-en din ikke trenger å hente informasjon fra system-RAM-en din hver gang du vil gjøre noe på PC-en. Hver prosessor har en liten mengde hurtigbuffer, med mindre prosessorer som kanskje bare får noen få kilobyte mens store prosessorer kan ha cache verdt mange megabyte.

Men du lurer kanskje på hvorfor cache i det hele tatt er nødvendig når vi har RAM, spesielt når en enkelt minnepinne kan ha flere gigabyte minne. Alt handler om ytelse. På 1990-tallet begynte tempoet med ytelsesforbedringer mellom CPUer og RAM å bli tydelig. Tross alt var CPU-designere fokusert på å øke hastigheten, mens RAM-designere ønsket å øke kapasiteten og neglisjerte hastigheten. For CPU-designerne var dette et problem fordi RAM-hastighet er en avgjørende faktor for CPU-ytelse for mange applikasjoner, og jo større CPU-RAM-gapet ble, desto vanskeligere ville det være å forbedre opptreden.

Cache var løsningen. Selv om cachen har liten kapasitet sammenlignet med RAM, veier dens høye hastighet opp for det i de fleste tilfeller. Cache er imidlertid ikke perfekt. Dens viktigste svakhet er størrelsen; cachen er fysisk stor for hvor lite den kan lagre. Cache er også motstandsdyktig mot nodekrymping, så mens kjernene og andre komponenter i en CPU kan krympe ganske enkelt fra en generasjon til en annen, krymper cachen mye mindre. Dette gjør cache til en veldig kostbar komponent i en CPU, som er en av hovedgrunnene til at cache vanligvis har så liten lagringsmengde.

Hvordan fungerer cachen?

Mainstream-adopsjonen av cache resulterte i mer nyanserte implementeringer av cache og RAM inntil vi endte opp med minnehierarkiet, med cache øverst, RAM i midten og lagring på bunn. Denne lagdelte tilnærmingen lar kritiske data for CPU-en være fysisk nærmere prosessoren, noe som reduserer ventetiden og hjelper PC-en din til å føles rask.

Cache har sitt eget hierarki, eller cache-nivåer, som er delt inn i L1, L2 og L3 cache. Dette er alle slags cache, men de utfører litt forskjellige funksjoner.

L1 cache er det første nivået av cache og også det minste, vanligvis delt inn i L1 instruksjon eller L1i og L1 data eller L1d. Hver kjerne i en CPU har sin eksklusive del av L1-cache, som vanligvis bare er noen få kilobyte stor. Den typen data som er lagret i L1-cache er ting som CPU-en nettopp brukte eller forventer å bruke umiddelbart. Hvis CPU-en trenger data som ikke er i L1-cachen, går den til neste nivå: L2.

Som L1-cache, er L2-cache ofte eksklusiv for en enkelt CPU-kjerne, men i noen CPUer deles den mellom flere kjerner. Det er også mye, mye større; for eksempel har hver P-kjerne i Core i9-12900K 80 kilobyte med L1-cache, samt 1,25 megabyte med L2-cache, nesten 16 ganger så mye. Imidlertid har større cacher høyere latens, noe som betyr at det tar mer tid før kommunikasjon skjer mellom CPU-kjernen og cachen. Når CPUer ønsker å oppnå ting i løpet av mikrosekunder eller til og med nanosekunder, betyr den litt høyere latensen til L2-cachen. Hvis en CPU ikke finner forespurte data i L2-bufferen, spør den neste nivå: L3.

L3-cache er en stor sak: den deles mellom noen eller alle kjerner i en CPU, og den er stor. 12900K har 30 MB L3-cache, for eksempel 24 ganger mengden L2-cache. Latensen til L3-cache er enda verre enn L2, men å ha en stor L3-cache er veldig viktig for å forhindre at CPU-en trenger å spørre RAM-en om nødvendige data. Bortsett fra lagring, har RAM den verste hastigheten og latensen i minnehierarkiet, og hver gang CPUen trenger tilgang til RAM for nødvendige data, stopper ting opp. Ideelt sett skal alt viktig lagres i det minste innenfor L3-cache for å forhindre en massiv nedgang.

Noen CPUer har til og med L4-cache, men den fungerer vanligvis som RAM som er på CPU-pakken. Noen av Intels første 14nm CPUer basert på Broadwell-arkitekturen inkluderte 128 MB innebygd DRAM, og selskapets kommende Sapphire Rapids server-CPUer kan leveres med HBM2, som på en måte brukes som et ekstra nivå av cache.

Betyr CPU-cache noe for spill?

CPU-cache gjør en stor forskjell for spilling. Selv om enkelt-tråds ytelse, instruksjoner per klokke (IPC) og klokkehastighet har tradisjonelt blitt sagt å være de mest viktige faktorer i spillytelse, har det blitt veldig tydelig at cache sannsynligvis er den viktigste faktoren av alt i rivaliseringen mellom AMD og Intel.

Cache er så viktig for spill på grunn av hvordan spill er designet i dag. Moderne spill har mye tilfeldighet, noe som betyr at CPUen hele tiden trenger å utføre enkle instruksjoner. Uten nok cache, blir grafikkortet ditt tvunget til å vente på CPU-en din ettersom instruksjonene hoper seg opp og forårsake en flaskehals. Du kan se et eksempel på hvor stor forskjell det utgjør AMDs 3D V-Cache teknologi i Far Cry 6 under.

Vi har sett en trend mot mer cache for spill de siste årene. AMDs Ryzen 3000-prosessorer hadde dobbelt så mye L3-cache som forrige generasjon og var mye raskere for spilling, og fanget nesten opp til Intel. Da Ryzen 5000 ble lansert, la ikke AMD til mer cache, men det forenet de to blokkene med L3-cache i CPUen, noe som reduserte ventetiden betydelig og satte AMD i ledelsen for spillytelse. AMD doblet seg med sin 3D V-Cache-teknologi på Ryzen 7 5800X3D, som stabler en 64MB-brikke med L3-cache på toppen av CPU-en for totalt 96MB, mer enn selv flaggskipet Ryzen 9 5950X.

Intel har spilt etter med AMD, og ​​dens nåværende generasjon Alder Lake CPUer har opptil 30 MB L3 cache, som er betydelig mindre enn de fleste Ryzen CPUer, men de har også mye mer L1 og L2 cache. Intels ulempe i L3-kapasitet betyr imidlertid ikke at Ryzen 5000-prosessorer er mye raskere for spill. I vår Core i9-12900K anmeldelse, fant vi ut at 12900K var knyttet til Ryzen 9 5950X for spillytelse.

Kappløpet om cache vil nesten helt sikkert fortsette med det kommende Ryzen 7000 og Raptor Lake CPUer. Ryzen 7000 er bekreftet å ha to ganger L2-cachen til Ryzen 5000, og vi vil sannsynligvis se flere CPUer som bruker V-Cache. I mellomtiden har ikke Intel sin egen versjon av V-Cache, men det ryktes at Raptor Lake har mye mer L3-cache enn Alder Lake, bare i selve CPUen.

Redaktørenes anbefalinger

• AMDs nyeste V-Cache-brikke viser seg å være billig, rask og perfekt for spilling
• Hvordan vi tester PC-komponenter og maskinvare
• Her er grunnen til at folk er så opprørt over dagens Starfield PC-nyheter
• De beste PC-byggene: budsjett, spill, videoredigering og mer
• AMD har kanskje nettopp aktivert MacBook-lignende spillbærbare datamaskiner, men jeg er fortsatt skeptisk