O que é cache da CPU e é importante?

Com produtos como o Ryzen 7 5800X3D ganhando a coroa como o melhor processador para jogos, você provavelmente está se perguntando o que é o cache da CPU e por que é tão importante em primeiro lugar. Já sabemos que as próximas CPUs Ryzen 7000 da AMD e os processadores Raptor Lake de 13ª geração da Intel se concentrarão em mais cache, sinalizando que essa será uma especificação crítica no futuro.

Mas você deveria se preocupar com o cache da CPU? Vamos detalhar o que é o cache da CPU, por que é tão importante e como pode fazer uma grande diferença se você estiver jogando.

O que é cache da CPU?

Cache é a quantidade de memória que está dentro a própria CPU, integrados em núcleos individuais ou compartilhados entre alguns ou todos os núcleos. É um pequeno pedaço de memória dedicada que fica diretamente no processador para que sua CPU não precise buscar informações da RAM do sistema toda vez que você quiser fazer algo no seu PC. Cada processador tem uma pequena quantidade de cache, com CPUs menores obtendo talvez apenas alguns kilobytes, enquanto CPUs grandes podem ter muitos megabytes de cache.

Mas você pode estar se perguntando por que o cache é necessário quando temos RAM, especialmente quando um único pente de RAM pode ter vários gigabytes de memória. É tudo uma questão de desempenho. Na década de 1990, o ritmo de melhorias de desempenho entre CPUs e RAM começou a se tornar aparente. Afinal, os projetistas de CPU estavam focados em aumentar a velocidade, enquanto os projetistas de RAM queriam aumentar a capacidade e negligenciavam a velocidade. Para os projetistas de CPU, isso foi um problema porque a velocidade da RAM é um fator crucial no desempenho da CPU. para muitos aplicativos, e quanto maior a lacuna CPU-RAM, mais difícil seria melhorar desempenho.

Cache foi a solução. Embora o cache tenha pouca capacidade em comparação com a RAM, sua alta velocidade compensa na maioria dos casos. Cache não é perfeito, no entanto. Sua principal fraqueza é o tamanho; o cache é fisicamente grande para o pouco que pode armazenar. O cache também é resiliente ao encolhimento de nós, portanto, enquanto os núcleos e outros componentes em uma CPU podem encolher facilmente de uma geração para outra, o cache encolhe muito menos. Isso torna o cache um componente muito caro de uma CPU, que é uma das principais razões pelas quais o cache geralmente tem uma quantidade tão pequena de armazenamento.

Como funciona o cache?

A adoção convencional do cache resultou em implementações mais sutis de cache e RAM até que terminou com a hierarquia de memória, com cache no topo, RAM no meio e armazenamento no fundo. Essa abordagem em camadas permite que dados críticos para a CPU fiquem fisicamente mais próximos do processador, reduzindo a latência e ajudando seu PC a se sentir ágil.

O cache tem sua própria hierarquia, ou níveis de cache, que são divididos em cache L1, L2 e L3. Todos esses são tipos de cache, mas executam funções ligeiramente diferentes.

O cache L1 é o primeiro nível de cache e também o menor, geralmente dividido em instrução L1 ou L1i e dados L1 ou L1d. Cada núcleo dentro de uma CPU tem seu pedaço exclusivo de cache L1, que geralmente tem apenas alguns kilobytes de tamanho. O tipo de dados armazenados no cache L1 é algo que a CPU acabou de usar ou espera usar em breve. Se a CPU precisar de dados que não estão no cache L1, ela vai para o próximo nível: L2.

Assim como o cache L1, o cache L2 geralmente é exclusivo de um único núcleo de CPU, mas em algumas CPUs ele é compartilhado entre vários núcleos. Também é muito, muito maior; por exemplo, cada P-core no Core i9-12900K tem 80 kilobytes de cache L1, bem como 1,25 megabytes de cache L2, quase 16 vezes mais. No entanto, caches maiores têm latência mais alta, o que significa que leva mais tempo para que a comunicação ocorra entre o núcleo da CPU e o cache. Quando as CPUs querem realizar coisas em questão de microssegundos ou mesmo nanossegundos, a latência ligeiramente maior do cache L2 é importante. Se uma CPU não consegue encontrar os dados solicitados no cache L2, ela solicita o próximo nível: L3.

O cache L3 é importante: é compartilhado entre alguns ou todos os núcleos de uma CPU e é grande. O 12900K tem 30 MB de cache L3, por exemplo, 24 vezes a quantidade de cache L2. A latência do cache L3 é ainda pior do que L2, mas ter um cache L3 grande é realmente importante para evitar que a CPU precise solicitar à RAM os dados necessários. Com exceção do armazenamento, a RAM tem a pior velocidade e latência na hierarquia de memória e, sempre que a CPU precisa acessar a RAM para obter os dados necessários, as coisas param. Idealmente, qualquer coisa importante será armazenada pelo menos no cache L3 para evitar uma desaceleração massiva.

Algumas CPUs até possuem cache L4, mas geralmente funciona como RAM que está no pacote da CPU. Algumas das primeiras CPUs de 14 nm da Intel baseadas na arquitetura Broadwell incluíam 128 MB de DRAM incorporada e o As próximas CPUs de servidor Sapphire Rapids da empresa podem vir com HBM2, que é usado como um nível extra de cache.

O cache da CPU é importante para jogos?

O cache da CPU faz uma grande diferença para jogos. Embora o desempenho single-threaded, as instruções por clock (IPC) e a velocidade do clock sejam tradicionalmente consideradas as mais fatores importantes no desempenho do jogo, ficou muito claro que o cache é provavelmente o fator mais importante de todos na rivalidade entre AMD e Intel.

O cache é muito importante para jogos por causa de como os jogos são projetados hoje. Os jogos modernos têm muita aleatoriedade, o que significa que a CPU precisa constantemente executar instruções simples. Sem cache suficiente, sua placa gráfica é forçada a esperar em sua CPU enquanto as instruções se acumulam e causar um gargalo. Você pode ver um exemplo de quanta diferença isso faz com V-Cache 3D da AMD tecnologia em Far Cry 6 abaixo.

Vimos uma tendência de mais cache para jogos nos últimos anos. As CPUs Ryzen 3000 da AMD tinham o dobro de cache L3 da geração anterior e eram muito mais rápidas para jogos, quase alcançando a Intel. Quando o Ryzen 5000 foi lançado, a AMD não adicionou mais cache, mas unificou os dois blocos de cache L3 dentro da CPU, o que reduziu bastante a latência e colocou a AMD na liderança em desempenho de jogos. A AMD dobrou a aposta com sua tecnologia 3D V-Cache no Ryzen 7 5800X3D, que empilha um chip de 64 MB de cache L3 no topo da CPU para um total de 96 MB, mais do que o carro-chefe Ryzen 9 5950X.

A Intel está alcançando a AMD e suas CPUs Alder Lake de geração atual têm até 30 MB de Cache L3, que é significativamente menor do que a maioria dos processadores Ryzen, mas eles também têm muito mais L1 e L2 cache. No entanto, a desvantagem da Intel na capacidade L3 não significa que as CPUs Ryzen 5000 sejam muito mais rápidas para jogos. Em nossa análise do Core i9-12900K, descobrimos que o 12900K estava empatado com o Ryzen 9 5950X em desempenho de jogos.

A corrida pelo cache quase certamente continuará com o próximo Processadores Ryzen 7000 e Raptor Lake. Ryzen 7000 está confirmado para ter o dobro do cache L2 do Ryzen 5000, e provavelmente veremos mais CPUs usando V-Cache. Enquanto isso, a Intel não tem sua própria versão do V-Cache, mas há rumores de que Raptor Lake tem muito mais cache L3 do que Alder Lake, apenas na própria CPU.

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