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

Computerprozessoren haben sich in den letzten Jahren ziemlich weiterentwickelt. Transistoren werden jedes Jahr kleiner, und Fortschritte erreichen einen Punkt, an dem das Mooresche Gesetz überflüssig wird.

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

Sie haben vielleicht schon von Cache-Speichern gehört, wenn über CPUs (Central Processing Units) gesprochen wird. Wir schenken diesen CPU-Cache-Speicherzahlen jedoch nicht genug Aufmerksamkeit, noch sind sie das primäre Highlight der CPU-Werbung.

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

Was ist CPU-Cache-Speicher?

Einfach ausgedrückt ist ein CPU-Speicher-Cache nur eine wirklich schnelle Art von Speicher. In den frühen Tagen des Rechnens waren die Prozessorgeschwindigkeit und die Speichergeschwindigkeit niedrig. In den 1980er Jahren begannen die Prozessorgeschwindigkeiten jedoch schnell zu steigen. Der damalige Systemspeicher (RAM) konnte die steigenden CPU-Geschwindigkeiten nicht bewältigen, also wurde ein neuer Typ von ultraschnellem Speicher geboren: CPU-Cache-Speicher.

Jetzt verfügt Ihr Computer über mehrere Arten von Speicher.

Primärspeicher, wie eine Festplatte oder SSD, speichert den Großteil der Daten – das Betriebssystem und Programme.

Als nächstes haben wir „Random Access Memory“, allgemein bekannt als RAM. Dieser ist deutlich schneller als der Primärspeicher, aber nur ein kurzzeitiges Speichermedium. Ihr Computer und seine Programme verwenden RAM, um häufig aufgerufene Daten zu speichern, was dazu beiträgt, Aktionen auf Ihrem Computer schön und schnell zu halten.

Schließlich verfügt die CPU über noch schnellere Speichereinheiten, die als CPU-Speichercache bekannt sind.

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 der Ort, an dem die zentrale Verarbeitung stattfindet, am nächsten, da es ein Teil der CPU selbst ist. Laut Tech Target „arbeitet Cache-Speicher zwischen 10 und 100 Mal schneller als RAM und benötigt nur wenige Nanosekunden, um auf eine CPU-Anfrage zu reagieren.“

Computerspeicher gibt es auch in verschiedenen Arten.

Cache-Speicher ist eine Form von statischem RAM (SRAM), während Ihr regulärer System-RAM als dynamischer RAM (DRAM) bekannt ist. Statisches RAM kann Daten speichern, ohne ständig aktualisiert werden zu müssen, im Gegensatz zu DRAM, was SRAM ideal für Cache-Speicher macht.

Wie funktioniert der CPU-Cache?

Programme und Apps auf Ihrem Computer sind als eine Reihe von Anweisungen konzipiert, die die CPU interpretiert und ausführt. 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 in der Lage, eine gigantische Anzahl von Anweisungen pro Sekunde auszuführen. Um seine Leistung voll auszuschöpfen, benötigt die CPU Zugriff auf superschnellen Speicher, wo der CPU-Cache ins Spiel kommt.

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 dem Northbridge-Chipsatz auf Ihrem Motherboard.

Der Speicher-Cache führt dann das Hin- und Herbewegen von Daten innerhalb der CPU durch. Auch im CPU-Cache existiert eine Speicherhierarchie.

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 wieder nach der Geschwindigkeit und damit nach der Cache-Größe.

Macht die CPU-Cache-Größe also einen Unterschied zur Leistung?

L1-Cache

L1 (Level 1) Cache ist der schnellste Speicher, der in einem Computersystem vorhanden ist. In Bezug auf die Zugriffspriorität verfügt der L1-Cache über die Daten, die die CPU am wahrscheinlichsten benötigt, während sie eine bestimmte Aufgabe erledigt.

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 dünn gesät. Einige Server-Chipsätze, wie die Xeon-Reihe von Intel, verfügen auch über einen 1–2 MB großen 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 bestimmen.

Der L1-Cache ist normalerweise in zwei Abschnitte unterteilt: den Befehls-Cache und den Daten-Cache. Der Befehls-Cache behandelt die Informationen über die Operation, die die CPU ausführen muss, während der Daten-Cache die Daten enthält, an denen die Operation durchgeführt werden soll.

L2-Cache

Der L2-Cache (Level 2) ist langsamer als der L1-Cache, aber größer. Während ein L1-Cache in Kilobyte gemessen werden kann, messen moderne L2-Speichercaches in Megabyte. Zum Beispiel hat der hoch bewertete Ryzen 5 5600X von AMD 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 aber normalerweise zwischen 256 KB und 32 MB. Die meisten modernen CPUs packen 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, der 8 MB weit übersteigt. Zum Beispiel,

Wenn es um Geschwindigkeit geht, hinkt der L2-Cache dem L1-Cache hinterher, 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

Auf den L3 (Level 3) Cache. In den frühen Tagen befand sich der L3-Speichercache tatsächlich auf dem Motherboard. Das war vor sehr langer Zeit, als die meisten CPUs nur Single-Core-Prozessoren waren. Jetzt kann der L3-Cache in Ihrer CPU riesig sein, wobei Verbraucher-CPUs der Spitzenklasse mit L3-Caches von bis zu 32 MB ausgestattet sind, während die revolutionären Ryzen 7 5800X3D-CPUs von AMD mit 96 MB L3-Cache ausgestattet sind. Einige Server-CPU-L3-Caches können dies mit bis zu 128 MB überschreiten.

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

Die folgenden Bilder zeigen die CPU-Speicher-Cache-Level für eine Intel Core i5-3570K-CPU, die 2012 eingeführt wurde, und eine AMD Ryzen 5800X-CPU, die acht Jahre später, im Jahr 2020, eingeführt wurde. Die CPU-Cache-Daten befinden sich in der unteren rechten Ecke des zweiten Bildes.

Beachten Sie, dass der L1-Cache zweigeteilt ist, während L2 und L3 auf beiden CPUs jeweils größer sind? Beim AMD Ryzen 5800X ist der L3-Cache jedoch mehr als fünfmal größer als beim Intel i5-3570K.

Wie viel CPU-Cache-Speicher benötige ich?

Das ist eine gute Frage. Mehr ist besser, wie Sie vielleicht erwarten. Die neuesten CPUs werden natürlich mehr CPU-Cache-Speicher enthalten als ältere Generationen, mit möglicherweise auch schnellerem Cache-Speicher. Eine Sache, die Sie tun können, ist zu lernen, wie man CPUs effektiv vergleicht. Es gibt viele Informationen da draußen, und zu lernen, wie man verschiedene CPUs vergleicht und gegenüberstellt, kann Ihnen helfen, die richtige Kaufentscheidung zu treffen.

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

Wie werden Daten zwischen CPU-Speichercaches verschoben?

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

Im Grunde genommen 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, sie 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, von Ihrem Systemspeicher (RAM) darauf zuzugreifen. Wenn das passiert, wird es als Cache-Mißerfolg bezeichnet.

Nun, wie wir wissen, ist der Cache darauf ausgelegt, das Hin und Her von Informationen zwischen dem Hauptspeicher und der CPU zu beschleunigen. Die Zeit, die benötigt wird, um auf Daten aus dem Speicher zuzugreifen, wird als „Latenzzeit“ bezeichnet.

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

Die Latenz nimmt weiter ab, da Computer schneller und effizienter werden. DDR4- und DDR5-RAM mit geringer Latenz und superschnelle SSDs verringern die Latenz und machen Ihr gesamtes System schneller als je zuvor. Dabei ist auch die Geschwindigkeit Ihres Systemspeichers wichtig.

CPU-Cache-Geschwindigkeit erklärt

Größe und Geschwindigkeit des CPU-Cache sind wichtig für den Gesamtbetrieb Ihres Computers. Wie bei den meisten Problemen im Zusammenhang mit Computerhardware gilt: Mehr ist besser, und schneller ist immer die kluge Wahl.

Sie sollten den CPU-Cache jedoch nicht zur ultimativen Entscheidungsoption beim Kauf einer neuen CPU werden lassen. Sicher, mehr und schneller ist besser, aber Sie müssen auch andere wichtige CPU-Leistungsfaktoren wie die Anzahl der Kerne, die CPU-Taktrate usw. berücksichtigen.