Was ist CPU-Cache und warum ist er für Spiele so wichtig?

AMDs 7800X3D und 7950X3D belegen den Spitzenplatz bei den Gaming-CPUs , nicht weil sie die meisten Kerne oder die höchsten Taktraten haben, sondern weil sie über den meisten Cache verfügen. Aber was ist überhaupt CPU-Cache? Dabei handelt es sich um eine kleine Menge superschnellen Schnellzugriffsspeichers, der in den Chip selbst integriert ist und ihm dabei hilft, die für den Betrieb benötigten Daten mit rasender Geschwindigkeit abzurufen.

Die Renditen sind jedoch nicht linear – es gibt einen Grund, warum der 7950X3D nicht auf allen Kernen über zusätzlichen Cache verfügt. Tatsächlich gibt es einige Nachteile, wenn viel zusätzlicher Cache zum Arbeiten zur Verfügung steht, auch wenn dies dabei hilft, die Spieleleistung zu steigern. Hier finden Sie alles, was Sie über den CPU-Cache wissen müssen.

Was ist CPU-Cache?

Cache ist die Menge an Speicher, die sich innerhalb der CPU selbst befindet, entweder in einzelne Kerne integriert oder von einigen oder allen Kernen gemeinsam genutzt. Dabei handelt es sich um ein kleines Stück dedizierten Speichers, der direkt auf dem Prozessor liegt, sodass Ihre CPU nicht jedes Mal, wenn Sie etwas auf Ihrem PC tun möchten, Informationen aus Ihrem System-RAM abrufen muss. Jeder Prozessor verfügt über eine kleine Menge Cache, wobei kleinere CPUs vielleicht nur ein paar Kilobyte erhalten, während große CPUs über viele Megabyte Cache verfügen können.

Aber warum ist Cache notwendig, wenn wir bereits über schnellen SSD-Speicher und noch schnelleren RAM verfügen? Es geht um Leistung. In den 1990er Jahren konnte die RAM-Geschwindigkeit nicht mit den CPU-Anforderungen Schritt halten, was für CPU-Designer ein Problem darstellte. Die Lösung bestand darin, den Chips selbst einen lokalen Cache hinzuzufügen.

Obwohl der Cache im Vergleich zum RAM über eine begrenzte Kapazität verfügt, wird dies durch seine hohe Geschwindigkeit wettgemacht. Der einzige Nachteil besteht darin, dass es teuer ist, Speicher in einen winzigen Chip zu packen, weshalb er normalerweise nicht in größeren Mengen verwendet wird. Mit 3D V-Cache hat AMD jedoch einen Weg gefunden, es zum Laufen zu bringen, und jetzt können wir dafür leistungsstärkere Spielechips vorweisen.

Wie funktioniert der Cache? L1, L2, L3 erklärt

Die allgemeine Einführung des Caches führte zu differenzierteren Implementierungen von Cache und RAM, bis wir schließlich bei der Speicherhierarchie landeten, mit Cache oben, RAM in der Mitte und Speicher unten. Durch diesen abgestuften Ansatz können kritische Daten für die CPU physisch näher am Prozessor platziert werden, was die Latenz reduziert und dafür sorgt, dass sich Ihr PC schnell anfühlt.

Der Cache verfügt über eine eigene Hierarchie oder Cache-Ebenen, die in L1-, L2- und L3-Cache unterteilt sind. Dabei handelt es sich um alle Arten von Caches, die jedoch leicht unterschiedliche Funktionen erfüllen.

Der L1-Cache ist die erste Ebene des Caches und auch die kleinste, normalerweise unterteilt in L1-Befehle oder L1i und L1-Daten oder L1d. Jeder Kern innerhalb einer CPU verfügt über seinen exklusiven Teil des L1-Cache, der normalerweise nur wenige Kilobyte groß ist. Bei den im L1-Cache gespeicherten Daten handelt es sich um Daten, die die CPU gerade verwendet hat oder die sie voraussichtlich bald verwenden wird. Wenn die CPU Daten benötigt, die sich nicht im L1-Cache befinden, wechselt sie zur nächsten Ebene: L2.

Wie der L1-Cache ist auch der L2-Cache häufig nur einem einzelnen CPU-Kern vorbehalten, bei einigen CPUs wird er jedoch von mehreren Kernen gemeinsam genutzt. Es ist auch viel, viel größer; Beispielsweise verfügt jeder P-Kern im Core i9-12900K über 80 Kilobyte L1-Cache sowie 1,25 Megabyte L2-Cache, also fast 16-mal so viel. Größere Caches weisen jedoch eine höhere Latenz auf, was bedeutet, dass die Kommunikation zwischen dem CPU-Kern und dem Cache länger dauert. Wenn CPUs Dinge innerhalb von Mikrosekunden oder sogar Nanosekunden erledigen wollen, ist die etwas höhere Latenz des L2-Cache von Bedeutung. Wenn eine CPU die angeforderten Daten nicht im L2-Cache finden kann, fragt sie nach der nächsten Ebene: L3.

Der L3-Cache ist eine große Sache: Er wird von einigen oder allen Kernen innerhalb einer CPU gemeinsam genutzt und ist groß. Der 7950X3D beispielsweise verfügt mit seinem angeschraubten 3D-V-Cache über 128 MB L3-Cache, während er nur über 16 MB L2-Cache verfügt. Die Latenz des L3-Cache ist sogar noch schlimmer als die von L2, aber ein großer L3-Cache ist wirklich wichtig, um zu verhindern, dass die CPU den RAM nach benötigten Daten fragen muss. Abgesehen vom Speicher weist RAM die schlechteste Geschwindigkeit und Latenz in der Speicherhierarchie auf, und wann immer die CPU für erforderliche Daten auf den RAM zugreifen muss, kann es zum Stillstand kommen.

Einige CPUs verfügen sogar über L4-Cache, dieser fungiert jedoch normalerweise als RAM, der sich auf dem CPU-Paket befindet. Einige der ersten 14-nm-CPUs von Intel, die auf der Broadwell-Architektur basierten, verfügten über 128 MB eingebetteten DRAM, und die Sapphire Rapids-Server-CPUs des Unternehmens können mit HBM2 ausgestattet sein, das sozusagen als zusätzliche Cache-Ebene genutzt wird.

Ist der CPU-Cache für Spiele wichtig?

Der CPU-Cache macht beim Spielen einen großen Unterschied . Obwohl Single-Threading-Leistung, Anweisungen pro Takt (IPC) und Taktrate traditionell als die wichtigsten Faktoren für die Spieleleistung gelten, ist es sehr deutlich geworden, dass der Cache wahrscheinlich der wichtigste Faktor überhaupt in der Rivalität zwischen AMD und AMD ist Intel .

Cache ist für Spiele aufgrund der heutigen Gestaltung von Spielen so wichtig. Moderne Spiele sind sehr zufällig, was bedeutet, dass die CPU ständig einfache Anweisungen ausführen muss. Ohne ausreichend Cache muss Ihre Grafikkarte auf Ihre CPU warten, da sich die Anweisungen häufen und einen Engpass verursachen . Ein Beispiel dafür, welchen großen Unterschied die 3D-V-Cache-Technologie von AMD macht, können Sie in der Grafik zur CPU-Leistung beim Spielen unten sehen.

Wir haben in den letzten Jahren einen Trend zu mehr Cache für Spiele beobachtet. AMD erhöht seit Jahren seine CPU-Cache-Mengen und verdoppelt diese mit seiner 3D-V-Cache-Technologie beim Ryzen 7 5800X3D und seinen Nachfolgern in der Ryzen 7000-Generation

Intel hat mit AMD aufgeholt und seine CPUs der neuesten Generation verfügen über mehr Cache als je zuvor, was ihnen hilft, im Gaming-Bereich wettbewerbsfähig zu bleiben. Es ist wahrscheinlich, dass die Cache-Mengen in den kommenden Jahren weiter steigen werden, wodurch die Grenzen der Gaming-Leistung weiter verschoben werden.