Wie funktioniert der CPU-Cache? Was sind L1-, L2- und L3-Cache?

Computerprozessoren haben in den letzten Jahren einige Fortschritte gemacht. Transistoren werden jedes Jahr kleiner und Fortschritte erreichen einen Punkt, an dem Moores Gesetz überflüssig wird.

Bei Prozessoren zählen nicht nur die Transistoren und Frequenzen, sondern auch der Cache.

Möglicherweise haben Sie von Cache-Speicher gehört, als CPUs (Central Processing Units) besprochen wurden. Wir achten jedoch nicht genug auf diese CPU-Cache-Speichernummern und sind auch nicht das primäre Highlight von CPU-Ankündigungen.

Wie wichtig ist der CPU-Cache und wie funktioniert er?

Was ist CPU-Cache-Speicher?

Einfach ausgedrückt ist ein CPU-Speichercache nur eine sehr schnelle Art von Speicher. In den frühen Tagen des Rechnens waren die Prozessorgeschwindigkeit und die Speichergeschwindigkeit niedrig. In den 1980er Jahren begann die Prozessorgeschwindigkeit jedoch schnell zu steigen. Der damalige Systemspeicher (RAM) konnte die steigenden CPU-Geschwindigkeiten nicht bewältigen oder mithalten, und so entstand eine neue Art von ultraschnellem Speicher: der CPU-Cache-Speicher.

Ihr Computer verfügt nun über mehrere Arten von Speicher.

Es gibt einen Primärspeicher wie eine Festplatte oder eine SSD, in dem der Großteil der Daten gespeichert wird – das Betriebssystem und die Programme.

Als nächstes haben wir Random Access Memory, allgemein bekannt als RAM . Dies ist viel schneller als der Primärspeicher, aber nur ein Kurzzeitspeichermedium. Ihr Computer und die darauf befindlichen Programme verwenden RAM, um häufig aufgerufene Daten zu speichern, und sorgen so dafür, dass die Aktionen auf Ihrem Computer schnell und einfach bleiben.

Schließlich verfügt die CPU über noch schnellere Speichereinheiten in sich, die als CPU-Speichercache bezeichnet werden.

Der Computerspeicher hat eine Hierarchie, die auf seiner Betriebsgeschwindigkeit basiert. Der CPU-Cache steht an der Spitze dieser Hierarchie und ist der schnellste. Es ist auch am nächsten an dem Ort, an dem die zentrale Verarbeitung stattfindet, da es Teil der CPU selbst ist.

Computerspeicher gibt es auch in verschiedenen Ausführungen.

Der Cache-Speicher ist eine Form des statischen RAM (SRAM), während der reguläre System-RAM als dynamischer RAM (DRAM) bezeichnet wird. Der statische RAM kann Daten speichern, ohne ständig aktualisiert werden zu müssen, im Gegensatz zum DRAM, wodurch der SRAM ideal für den Cache-Speicher ist.

Wie funktioniert der CPU-Cache?

Programme und Apps auf Ihrem Computer sind als eine Reihe von Anweisungen konzipiert, die von der CPU interpretiert und ausgeführt werden. Wenn Sie ein Programm ausführen, gelangen die Anweisungen vom Primärspeicher (Ihrer Festplatte) zur CPU. Hier kommt die Speicherhierarchie ins Spiel.

Die Daten werden zuerst in den RAM geladen und dann an die CPU gesendet. CPUs sind heutzutage in der Lage, eine gigantische Anzahl von Anweisungen pro Sekunde auszuführen. Um die Leistung voll ausschöpfen zu können, benötigt die CPU Zugriff auf einen superschnellen Speicher, in den der CPU-Cache eingeht.

Der Speichercontroller nimmt die Daten aus dem RAM und sendet sie an den CPU-Cache. Abhängig von Ihrer CPU befindet sich der Controller auf der CPU oder der Northbridge-Chipsatz auf Ihrem Motherboard.

Der Speichercache führt dann das Hin und Her von Daten innerhalb der CPU aus. Auch im CPU-Cache existiert eine Speicherhierarchie.

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Die Ebenen des CPU-Cache-Speichers: L1, L2 und L3

Der CPU-Cache-Speicher ist in drei "Ebenen" unterteilt: L1, L2 und L3. Die Speicherhierarchie richtet sich wiederum nach der Geschwindigkeit und damit nach der Größe des Caches.

Hat die Größe des CPU-Caches einen Einfluss auf die Leistung?

L1 Cache

Der L1-Cache (Stufe 1) ist der schnellste Speicher, der in einem Computersystem vorhanden ist. In Bezug auf die Priorität des Zugriffs verfügt der L1-Cache über die Daten, die die CPU beim Ausführen einer bestimmten Aufgabe am wahrscheinlichsten benötigt.

Die Größe des L1-Cache hängt von der CPU ab. Einige Top-End-Consumer-CPUs verfügen jetzt über einen 1 MB L1-Cache, wie der Intel i9-9980XE, aber diese kosten eine Menge Geld und sind immer noch selten. Einige Server-Chipsätze, wie die Intel Xeon-Reihe, verfügen auch über einen 1-2 MB L1-Speichercache.

Es gibt keine "Standard" -L1-Cache-Größe, daher müssen Sie vor dem Kauf die CPU-Spezifikationen überprüfen, um die genaue L1-Speicher-Cache-Größe zu ermitteln.

Der L1-Cache ist normalerweise in zwei Abschnitte unterteilt: den Anweisungscache und den Datencache. Der Anweisungscache behandelt die Informationen über die Operation, die die CPU ausführen muss, während der Datencache die Daten enthält, für die die Operation ausgeführt werden soll.

L2 Cache

Der L2-Cache (Stufe 2) ist langsamer als der L1-Cache, jedoch größer. Wo ein L1-Cache in Kilobyte messen kann, messen moderne L2-Speichercaches in Megabyte. Zum Beispiel verfügt der hoch bewertete Ryzen 5 5600X von AMD über einen 384 KB L1-Cache und einen 3 MB L2-Cache (plus einen 32 MB L3-Cache).

Die Größe des L2-Cache variiert je nach CPU, liegt jedoch normalerweise zwischen 256 KB und 8 MB. Die meisten modernen CPUs bieten mehr als einen 256-KB-L2-Cache, und diese Größe wird jetzt als klein angesehen. Darüber hinaus verfügen einige der leistungsstärksten modernen CPUs über einen größeren L2-Speichercache von mehr als 8 MB.

Wenn es um Geschwindigkeit geht, bleibt der L2-Cache hinter dem L1-Cache zurück, ist aber immer noch viel schneller als Ihr System-RAM. Der L1-Speichercache ist normalerweise 100-mal schneller als Ihr RAM, während der L2-Cache etwa 25-mal schneller ist.

L3 Cache

In den L3 (Level 3) Cache. In den frühen Tagen wurde der L3-Speichercache tatsächlich auf dem Motherboard gefunden. Dies war vor sehr langer Zeit, als die meisten CPUs nur Single-Core-Prozessoren waren. Jetzt kann der L3-Cache in Ihrer CPU sehr groß sein. Top-End-Consumer-CPUs verfügen über L3-Caches mit bis zu 32 MB. Einige Server-CPU-L3-Caches können dies mit bis zu 64 MB überschreiten.

Der L3-Cache ist die größte, aber auch die langsamste Cache-Speichereinheit. Moderne CPUs enthalten den L3-Cache auf der CPU selbst. Während der L1- und L2-Cache für jeden Kern auf dem Chip selbst vorhanden ist, ähnelt der L3-Cache eher einem allgemeinen Speicherpool, den der gesamte Chip verwenden kann.

Das folgende Bild zeigt die CPU-Speicher-Cache-Ebenen für eine Intel Core i5-3570K-CPU:

Beachten Sie, wie der L1-Cache in zwei Teile geteilt wird, während L2 und L3 größer sind.

Wie viel CPU-Cache-Speicher benötige ich?

Das ist eine gute Frage. Mehr ist besser, als Sie vielleicht erwarten. Die neuesten CPUs enthalten natürlich mehr CPU-Cache-Speicher als ältere Generationen und möglicherweise auch einen schnelleren Cache-Speicher. Sie können lernen, wie Sie CPUs effektiv vergleichen . Es gibt viele Informationen, und wenn Sie lernen, wie Sie verschiedene CPUs vergleichen und gegenüberstellen, können Sie die richtige Kaufentscheidung treffen.

Wie bewegen sich Daten zwischen CPU-Speicher-Caches?

Die große Frage: Wie funktioniert der CPU-Cache-Speicher?

In den grundlegendsten Begriffen fließen die Daten vom RAM zum L3-Cache, dann zum L2 und schließlich zum L1. Wenn der Prozessor nach Daten sucht, um eine Operation auszuführen, versucht er zuerst, diese im L1-Cache zu finden. Wenn die CPU es findet, wird die Bedingung als Cache-Treffer bezeichnet. Es fährt dann fort, es in L2 und dann in L3 zu finden.

Wenn die CPU die Daten in keinem der Speichercaches findet, versucht sie, über Ihren Systemspeicher (RAM) darauf zuzugreifen. In diesem Fall spricht man von einem Cache-Miss.

Wie wir wissen, ist der Cache so konzipiert, dass das Hin- und Herwechseln von Informationen zwischen dem Hauptspeicher und der CPU beschleunigt wird. Die Zeit, die für den Zugriff auf Daten aus dem Speicher benötigt wird, wird als "Latenz" bezeichnet.

Der L1-Cache-Speicher hat die niedrigste Latenz, ist am schnellsten und dem Kern am nächsten, und L3 hat die höchste. Die Speicher-Cache-Latenz erhöht sich, wenn ein Cache-Fehler auftritt, da die CPU die Daten aus dem Systemspeicher abrufen muss.

Die Latenz nimmt weiter ab, da Computer schneller und effizienter werden. DDR4-RAM mit geringer Latenz und superschnelle SSDs reduzieren die Latenz und machen Ihr gesamtes System schneller als je zuvor. Dabei ist auch die Geschwindigkeit Ihres Systemspeichers wichtig.

Die Zukunft des CPU-Cache-Speichers

Das Design des Cache-Speichers entwickelt sich ständig weiter, insbesondere da der Speicher billiger, schneller und dichter wird. Eine der neuesten Innovationen von AMD ist beispielsweise der Smart Access Memory und der Infinity Cache , die beide die Computerleistung steigern.