Čo je vyrovnávacia pamäť CPU a je to dôležité?

S produktmi ako Ryzen 7 5800X3D získavajú korunu ako najlepší procesor na hranie hier, pravdepodobne sa pýtate, čo je vyrovnávacia pamäť CPU a prečo je to v prvom rade taký veľký problém. Už vieme, že nadchádzajúce procesory AMD Ryzen 7000 a procesory Intel Raptor Lake 13. generácie sa zamerajú na väčšiu vyrovnávaciu pamäť, čo signalizuje, že to bude v budúcnosti kritická špecifikácia.

Mali by ste sa však starať o vyrovnávaciu pamäť CPU? Rozoberieme, čo je vyrovnávacia pamäť CPU, prečo je taká dôležitá a ako to môže znamenať obrovský rozdiel, ak hráte.

Čo je vyrovnávacia pamäť CPU?

Cache je množstvo pamäte, ktorá je v nej samotný CPU, buď integrované do jednotlivých jadier alebo zdieľané medzi niektorými alebo všetkými jadrami. Je to malý kúsok vyhradenej pamäte, ktorá žije priamo v procesore, takže váš procesor nemusí získavať informácie z vašej systémovej pamäte RAM zakaždým, keď chcete na počítači niečo urobiť. Každý procesor má malé množstvo vyrovnávacej pamäte, pričom menšie procesory dostávajú možno len niekoľko kilobajtov, zatiaľ čo veľké procesory môžu mať vyrovnávaciu pamäť v hodnote mnohých megabajtov.

Možno sa však pýtate, prečo je vyrovnávacia pamäť vôbec potrebná keď máme RAM, najmä ak jedna pamäť RAM môže mať niekoľko gigabajtov pamäte. Všetko je o výkone. V deväťdesiatych rokoch minulého storočia sa začalo prejavovať tempo zvyšovania výkonu medzi CPU a RAM. Koniec koncov, dizajnéri CPU sa zamerali na zvýšenie rýchlosti, zatiaľ čo dizajnéri RAM chceli zvýšiť kapacitu a rýchlosť zanedbávali. Pre dizajnérov CPU to bol problém, pretože rýchlosť RAM je kľúčovým faktorom výkonu CPU pre mnohé aplikácie a čím väčšia bude medzera medzi CPU a RAM, tým ťažšie bude zlepšenie výkon.

Cache bola riešením. Cache má síce malú kapacitu v porovnaní s RAM, no jej vysoká rýchlosť to vo väčšine prípadov vynahrádza. Cache však nie je dokonalá. Jeho hlavnou slabinou je veľkosť; cache je fyzicky veľká na to, ako málo dokáže uložiť. Cache je tiež odolná voči zmenšovaniu uzlov, takže zatiaľ čo jadrá a ďalšie komponenty v CPU sa môžu z jednej generácie na druhú zmenšovať pomerne ľahko, cache sa zmenšuje oveľa menej. Vďaka tomu je vyrovnávacia pamäť veľmi drahou súčasťou procesora, čo je jeden z hlavných dôvodov, prečo má vyrovnávacia pamäť zvyčajne také malé množstvo úložného priestoru.

Ako funguje vyrovnávacia pamäť?

Bežné prijatie vyrovnávacej pamäte malo za následok jemnejšie implementácie vyrovnávacej pamäte a pamäte RAM skončil s hierarchiou pamäte, s vyrovnávacou pamäťou navrchu, RAM v strede a úložiskom na vrchu dno. Tento viacúrovňový prístup umožňuje, aby boli kritické údaje pre CPU fyzicky bližšie k procesoru, čím sa znižuje latencia a váš počítač sa cíti svižne.

Cache má svoju vlastnú hierarchiu alebo úrovne vyrovnávacej pamäte, ktoré sú rozdelené na vyrovnávaciu pamäť L1, L2 a L3. Sú to všetky druhy vyrovnávacej pamäte, ale vykonávajú trochu iné funkcie.

L1 cache je prvá úroveň cache a zároveň najmenšia, zvyčajne rozdelená na L1 inštrukcie alebo L1i a L1 dáta alebo L1d. Každé jadro v rámci CPU má svoj exkluzívny kus vyrovnávacej pamäte L1, ktorá je zvyčajne veľká len niekoľko kilobajtov. Druh údajov uložených vo vyrovnávacej pamäti L1 je materiál, ktorý CPU práve použil alebo očakáva, že ho bude bezprostredne používať. Ak CPU potrebuje dáta, ktoré nie sú vo vyrovnávacej pamäti L1, prejde na ďalšiu úroveň: L2.

Rovnako ako vyrovnávacia pamäť L1, vyrovnávacia pamäť L2 je často exkluzívna pre jedno jadro CPU, ale v niektorých CPU je zdieľaná medzi viacerými jadrami. Je tiež oveľa, oveľa väčší; napríklad každé P-core v Core i9-12900K má 80 kilobajtov L1 cache, ako aj 1,25 MB L2 cache, takmer 16-krát toľko. Väčšie vyrovnávacie pamäte však majú vyššiu latenciu, čo znamená, že komunikácia medzi jadrom CPU a vyrovnávacou pamäťou trvá dlhšie. Keď CPU chcú dosiahnuť veci v priebehu mikrosekúnd alebo dokonca nanosekúnd, záleží na mierne vyššej latencii vyrovnávacej pamäte L2. Ak CPU nemôže nájsť požadované údaje vo vyrovnávacej pamäti L2, požiada o ďalšiu úroveň: L3.

Cache L3 je veľká vec: je zdieľaná medzi niektorými alebo všetkými jadrami v rámci CPU a je veľká. Model 12900K má 30 MB vyrovnávacej pamäte L3, čo je napríklad 24-násobok množstva vyrovnávacej pamäte L2. Latencia vyrovnávacej pamäte L3 je ešte horšia ako vyrovnávacej pamäte L2, ale veľká vyrovnávacia pamäť L3 je skutočne dôležitá, aby sa zabránilo tomu, že CPU bude musieť požiadať RAM o potrebné údaje. Okrem úložiska má RAM najhoršiu rýchlosť a latenciu v pamäťovej hierarchii a vždy, keď CPU potrebuje získať prístup k RAM pre požadované dáta, veci sa zastavia. V ideálnom prípade sa všetko dôležité uloží aspoň do vyrovnávacej pamäte L3, aby sa zabránilo masívnemu spomaleniu.

Niektoré procesory majú dokonca vyrovnávaciu pamäť L4, ale zvyčajne funguje ako RAM, ktorá je súčasťou balenia CPU. Niektoré z prvých 14nm procesorov Intel založených na architektúre Broadwell obsahovali 128 MB vstavanej DRAM a Nadchádzajúce serverové procesory Sapphire Rapids spoločnosti môžu byť dodávané s HBM2, ktorý sa používa ako ďalšia úroveň cache.

Má cache CPU význam pre hranie hier?

Cache CPU robí veľký rozdiel na hranie. Hoci výkon s jedným vláknom, počet inštrukcií na takt (IPC) a rýchlosť taktu sa tradične považujú za najviac Dôležitými faktormi herného výkonu je veľmi jasné, že vyrovnávacia pamäť je pravdepodobne najdôležitejším faktorom zo všetkých v súperení medzi AMD a Intel.

Cache je pre hranie hier taká dôležitá, pretože hry sú dnes navrhnuté. Moderné hry majú veľa náhodnosti, čo znamená, že CPU musí neustále vykonávať jednoduché inštrukcie. Bez dostatočnej vyrovnávacej pamäte je vaša grafická karta nútená čakať na vašom procesore, pretože sa hromadia pokyny a spôsobiť prekážku. Môžete vidieť príklad toho, aký veľký rozdiel to znamená 3D V-Cache od AMD technológie v Far Cry 6 nižšie.

V posledných rokoch sme videli trend smerom k väčšej vyrovnávacej pamäti pre hry. Procesory AMD Ryzen 3000 mali dvakrát toľko vyrovnávacej pamäte L3 ako predchádzajúca generácia a boli oveľa rýchlejšie na hranie, takmer dobiehali Intel. Keď bol spustený Ryzen 5000, AMD nepridalo viac vyrovnávacej pamäte, ale zjednotilo dva bloky vyrovnávacej pamäte L3 v rámci CPU, čo výrazne znížilo latenciu a dostalo AMD do vedenia v oblasti herného výkonu. AMD zdvojnásobilo svoju technológiu 3D V-Cache Ryzen 7 5800X3D, ktorý ukladá 64 MB čip L3 vyrovnávacej pamäte na vrchnú časť procesora s celkovým počtom 96 MB, čo je dokonca viac ako vlajková loď Ryzen 9 5950X.

Intel sa snaží dobehnúť AMD a jeho súčasná generácia procesorov Alder Lake má až 30 MB L3 cache, čo je výrazne menej ako väčšina CPU Ryzen, ale majú tiež oveľa viac L1 a L2 cache. Nevýhoda Intelu v kapacite L3 však neznamená, že procesory Ryzen 5000 sú na hranie oveľa rýchlejšie. V našej recenzii Core i9-12900K, zistili sme, že 12900K bol prepojený s Ryzen 9 5950X pre herný výkon.

Preteky o kešku budú takmer určite pokračovať s blížiacim sa časom CPU Ryzen 7000 a Raptor Lake. Je potvrdené, že Ryzen 7000 má dvojnásobnú L2 vyrovnávaciu pamäť ako Ryzen 5000 a pravdepodobne uvidíme viac procesorov využívajúcich V-Cache. Medzitým Intel nemá vlastnú verziu V-Cache, ale hovorí sa, že Raptor Lake má oveľa viac vyrovnávacej pamäte L3 ako Alder Lake, len v samotnom CPU.

Odporúčania redaktorov

• Najnovší čip V-Cache od AMD sa ukázal ako lacný, rýchly a ideálny na hranie hier
• Ako testujeme komponenty a hardvér PC
• Tu je dôvod, prečo sú ľudia takí rozrušení z dnešných správ Starfield PC
• Najlepšie zostavy PC: rozpočet, hranie hier, strih videa a ďalšie
• AMD možno práve aktivovala herné notebooky podobné MacBooku, ale stále som skeptický