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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 Transistoren und Frequenzen, sondern auch der Cache.
Sie haben vielleicht schon von Cache-Speicher gehört, wenn über CPUs (Central Processing Units) gesprochen wird. Wir schenken diesen CPU-Cache-Speichernummern jedoch nicht genug Aufmerksamkeit und sind auch nicht das wichtigste Highlight der CPU-Werbung.
Wie wichtig ist der CPU-Cache genau 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 Computing waren Prozessorgeschwindigkeit und Speichergeschwindigkeit niedrig. In den 1980er Jahren begannen jedoch die Prozessorgeschwindigkeiten zu steigen – und zwar rapide. Der damalige Systemspeicher (RAM) konnte die steigenden CPU-Geschwindigkeiten nicht bewältigen und so wurde eine neue Art von ultraschnellem Speicher geboren: CPU-Cache-Speicher.
Jetzt verfügt Ihr Computer über mehrere Arten von Speicher.
Es gibt einen primären Speicher wie eine Festplatte oder SSD, der den Großteil der Daten speichert – das Betriebssystem und die Programme.
Als nächstes haben wir Random Access Memory, allgemein bekannt als RAM . Dieser ist deutlich schneller als der Primärspeicher, aber nur ein kurzfristiges Speichermedium. Ihr Computer und die darauf befindlichen Programme verwenden RAM, um Daten zu speichern, auf die häufig zugegriffen wird, sodass die Aktionen auf Ihrem Computer schnell und einfach bleiben.
Schließlich hat die CPU noch schnellere Speichereinheiten in sich, die als CPU-Speicher-Cache bekannt sind.
Der Computerspeicher weist eine Hierarchie auf, die auf seiner Betriebsgeschwindigkeit basiert. Der CPU-Cache steht an der Spitze dieser Hierarchie und ist der schnellste. Es ist auch dem Ort am nächsten, wo die zentrale Verarbeitung stattfindet, da es ein Teil der CPU selbst ist.
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. Statischer RAM kann Daten speichern, ohne dass sie ständig aktualisiert werden müssen, im Gegensatz zu DRAM, was SRAM ideal für Cache-Speicher macht.
Wie funktioniert 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, wandern 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 Befehlen pro Sekunde auszuführen. Um ihre Leistung voll ausnutzen zu können, benötigt die CPU Zugriff auf den 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 der Northbridge-Chipsatz auf Ihrem Motherboard.
Der Speichercache führt dann das Hin- und Her der Daten innerhalb der CPU durch. Auch innerhalb des CPU-Cache existiert eine Speicherhierarchie.
Verwandt: Was ist eine CPU und was macht sie?
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 der Größe des Caches.
Macht die CPU-Cache-Größe also einen Unterschied für die Leistung?
L1-Cache
Der L1-Cache (Level 1) ist der schnellste Speicher, der in einem Computersystem vorhanden ist. In Bezug auf die Zugriffspriorität enthält der L1-Cache 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 viel Geld und sind immer noch dünn gesät. Einige Server-Chipsätze, wie Intels Xeon-Reihe, verfügen auch über einen 1-2 MB L1-Speicher-Cache.
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 Instruktions-Cache und den Daten-Cache. Der Befehlscache verarbeitet die Informationen über die Operation, die die CPU ausführen muss, während der Datencache die Daten hält, an denen die Operation ausgeführt 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-Speicher-Caches in Megabyte. AMDs hoch bewerteter Ryzen 5 5600X verfügt beispielsweise über einen 384 KB L1-Cache und einen 3 MB L2-Cache (plus 32 MB L3-Cache).
Die Größe des L2-Cache variiert je nach CPU, beträgt jedoch normalerweise zwischen 256 KB und 8 MB. Die meisten modernen CPUs packen mehr als 256 KB L2-Cache, und diese Größe wird jetzt als klein angesehen. Darüber hinaus verfügen einige der leistungsstärksten modernen CPUs über einen größeren L2-Speicher-Cache von über 8 MB.
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In Bezug auf die Geschwindigkeit hinkt der L2-Cache dem L1-Cache hinterher, ist aber immer noch viel schneller als Ihr System-RAM. Der L1-Speichercache ist in der Regel 100-mal schneller als Ihr RAM, während der L2-Cache etwa 25-mal schneller ist.
L3-Cache
Auf den L3 (Level 3) Cache. In der Anfangszeit befand sich der L3-Speicher-Cache 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, mit Top-End-Consumer-CPUs mit L3-Caches von 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. 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 folgende Abbildung zeigt die CPU-Speicher-Cache-Ebenen für eine Intel Core i5-3570K-CPU:
Beachten Sie, dass der L1-Cache zweigeteilt ist, während der L2 und L3 jeweils größer sind.
Wie viel CPU-Cache-Speicher benötige ich?
Es ist eine gute Frage. Mehr ist besser, wie Sie vielleicht erwarten. Die neuesten CPUs enthalten natürlich mehr CPU-Cache-Speicher als ältere Generationen, mit potenziell schnellerem Cache-Speicher. Eine Sache, die du tun kannst, ist zu lernen wie man CPUs effektiv vergleicht . Es gibt viele Informationen, und zu lernen, wie man verschiedene CPUs vergleicht und kontrastiert, kann Ihnen helfen, die richtige Kaufentscheidung zu treffen.
Wie werden Daten zwischen CPU-Speicher-Caches 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 zunächst, 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, von Ihrem Systemspeicher (RAM) darauf zuzugreifen. Wenn dies geschieht, wird dies als Cache-Miss 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 „Latenz“ bezeichnet.
L1-Cache-Speicher hat die niedrigste Latenz, ist der schnellste und dem Kern am nächsten, und L3 hat die höchste. Die Speicher-Cache-Latenz erhöht sich, wenn ein Cache-Fehltreffer 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 niedriger Latenz und superschnelle SSDs reduzieren die Latenz und machen Ihr gesamtes System schneller denn je. Dabei ist auch die Geschwindigkeit Ihres Systemspeichers wichtig.
Die Zukunft des CPU-Cache-Speichers
Das Design des Cachespeichers entwickelt sich ständig weiter, insbesondere da der Speicher billiger, schneller und dichter wird. Eine der jüngsten Innovationen von AMD ist beispielsweise Smart Access Memory und der Infinity Cache, die beide die Computerleistung erhöhen.
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Gavin ist Junior Editor für Windows and Technology Explained, schreibt regelmäßig am Really Useful Podcast und ist regelmäßiger Produktrezensent. Er hat einen BA (Hons) Contemporary Writing with Digital Art Practices, der aus den Hügeln von Devon geplündert wurde, sowie über ein Jahrzehnt an professioneller Schreiberfahrung. Er genießt reichlich Tee, Brettspiele und Fußball.
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