Wie funktioniert der CPU-Cache und was sind L1, L2 und L3?
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Computerprozessoren sind in den letzten Jahren ein gutes Stück vorangekommen. Die Größe der Transistoren wird von Jahr zu Jahr kleiner, und die Fortschritte erreichen einen Punkt, an dem das Mooresche Gesetz schnell überflüssig wird.
Bei Prozessoren zählen nicht nur die Transistoren und Frequenzen, sondern auch der Cache.
Möglicherweise haben Sie von Cache-Speichern gehört, als über CPUs (Central Processing Units) gesprochen wurde. Wir achten jedoch nicht zu sehr auf diese Zahlen und sie sind auch nicht das eigentliche Highlight der Werbung für diese CPUs.
Wie wichtig ist der CPU-Cache und wie funktioniert er?
Was ist CPU-Cache?
Einfach ausgedrückt ist ein Cache nur ein sehr schneller Speichertyp. Wie Sie vielleicht wissen, verfügt ein Computer über mehrere Speichertypen. Es gibt einen primären Speicher wie eine Festplatte oder eine SSD, auf der der Großteil der Daten gespeichert ist - das Betriebssystem und alle Programme.
Als nächstes haben wir den Direktzugriffsspeicher, allgemein als RAM bekannt. Dies ist viel schneller als der Primärspeicher.
Schließlich hat die CPU noch schnellere Speichereinheiten in sich, die wir als Cache bezeichnen.
Der Speicher in einem Computer hat eine Hierarchie, die auf der Geschwindigkeit basiert, und der Cache steht an der Spitze dieser Hierarchie und ist am schnellsten. Es ist auch der Ort, an dem die zentrale Verarbeitung am nächsten kommt, da es Teil der CPU selbst ist.
Cache ist ein statischer RAM (SRAM) im Vergleich zum System-RAM, der ein dynamischer RAM (DRAM) ist. Bei statischem RAM handelt es sich um einen RAM, der Daten speichern kann, ohne dass diese ständig aktualisiert werden müssen, im Gegensatz zu DRAM, wodurch sich SRAM ideal für die Verwendung als Cache eignet.
Wie funktioniert der CPU-Cache?
Wie Sie vielleicht bereits wissen, besteht ein Programm aus einer Reihe von Anweisungen, die von der CPU ausgeführt werden. Wenn Sie ein Programm ausführen, müssen diese Anweisungen ihren Weg vom Primärspeicher zur CPU finden. 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 die volle Leistung nutzen zu können, muss die CPU auf einen superschnellen Speicher zugreifen können. Hier kommt der Cache ins Spiel.
Der Speichercontroller übernimmt die Aufgabe, die Daten aus dem RAM zu entnehmen und an den Cache zu senden. Je nachdem, welche CPU sich in Ihrem System befindet, befindet sich dieser Controller entweder auf dem North Bridge-Chipsatz auf dem Motherboard oder in der CPU selbst.
Der Cache führt dann das Hin und Her von Daten innerhalb der CPU aus. Die Speicherhierarchie ist auch im Cache vorhanden.
(Wenn Sie wissen möchten, wie die CPU selbst funktioniert, lesen Sie unseren Artikel, in dem die Grundlagen der CPU erklärt werden. Was ist eine CPU und was macht sie? Was ist eine CPU und was macht sie? Benötige ich trotzdem eine CPU? Benötige ich einen Quad- oder Dual-Core-Prozessor? Wie wäre es mit AMD oder Intel? Wir sind hier, um den Unterschied zu erklären! Weitere Informationen.)
Die Cache-Ebenen: L1, L2 und L3
Der CPU-Cache ist in die drei Hauptstufen L1, L2 und L3 unterteilt. Die Hierarchie richtet sich auch hier nach der Geschwindigkeit und damit nach der Größe des Caches.
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, um eine bestimmte Aufgabe auszuführen.
Der L1-Cache ist normalerweise bis zu 256 KB groß. Einige sehr leistungsfähige CPUs benötigen mittlerweile fast 1 MB. Einige Server-Chipsätze (wie Intels Xeon-CPUs der Spitzenklasse) haben jetzt einen L1-Cache zwischen 1 und 2 MB.
Der L1-Cache wird normalerweise auch auf zwei Arten aufgeteilt: in den Anweisungs-Cache und den Daten-Cache. Der Anweisungs-Cache behandelt die Informationen über die Operation, die die CPU ausführen muss, während der Daten-Cache die Daten enthält, an denen die Operation ausgeführt werden soll.
Der L2-Cache (Level 2) ist langsamer als der L1-Cache, jedoch größer. Die Größe variiert normalerweise zwischen 256 KB und 8 MB, obwohl die neueren, leistungsstärkeren CPUs dazu neigen, darüber hinauszugehen. Der L2-Cache enthält Daten, auf die die CPU wahrscheinlich als nächstes zugreifen wird. In den meisten modernen CPUs sind die L1- und L2-Caches auf den CPU-Kernen selbst vorhanden, wobei jeder Kern seinen eigenen Cache erhält.
Der L3-Cache (Level 3) ist die größte und auch die langsamste Cache-Speichereinheit. Es kann zwischen 4 MB und über 50 MB liegen. Moderne CPUs verfügen über dedizierten Speicherplatz auf dem CPU-Chip für den L3-Cache und beanspruchen einen großen Teil des Speicherplatzes.
Cache Hit oder Miss und Latenz
Die Daten fließen 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 finden kann, wird die Bedingung als Cache-Treffer bezeichnet. Es fährt dann fort, es in L2 und dann L3 zu finden.
Wenn die Daten nicht gefunden werden, wird versucht, aus dem Hauptspeicher darauf zuzugreifen. Dies wird 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 hat die niedrigste Latenz, ist die schnellste und dem Kern am nächsten, und L3 hat die höchste. Die Latenz erhöht sich um ein Vielfaches, wenn ein Cache-Fehler vorliegt. Dies liegt daran, dass die CPU die Daten aus dem Hauptspeicher abrufen muss.
Je schneller und besser Computer werden, desto geringer ist die Latenz. Wir haben jetzt DDR4-RAM mit geringer Latenz und superschnelle SSDs mit geringen Zugriffszeiten als Primärspeicher, die beide die Gesamtlatenz erheblich verkürzen. Wenn Sie mehr über die Funktionsweise von RAM erfahren möchten, finden Sie hier eine Kurzanleitung für RAM. Eine Kurzanleitung für RAM: Was Sie wissen müssen Eine Kurzanleitung für RAM: Was Sie wissen müssen RAM ist von entscheidender Bedeutung Komponente jedes Computers, aber es kann verwirrend sein. Wir unterteilen es in leicht verständliche Begriffe, die Sie verstehen werden. Weiterlesen .
Früher hatten Cache-Designs die L2- und L3-Caches außerhalb der CPU, was sich negativ auf die Latenz auswirkte.
Die Fortschritte bei den Herstellungsprozessen für CPU-Transistoren haben es jedoch möglich gemacht, Milliarden von Transistoren auf engem Raum unterzubringen. Infolgedessen bleibt mehr Platz für den Cache, sodass sich der Cache so nah wie möglich am Kern befindet und die Latenz erheblich verringert wird.
Die Zukunft des Caches
Das Cache-Design entwickelt sich ständig weiter, insbesondere wenn der Speicher billiger, schneller und dichter wird. Intel und AMD experimentierten viel mit Cache-Designs, Intel experimentierte sogar mit einem L4-Cache. Der CPU-Markt entwickelt sich jetzt schneller als je zuvor.
Damit wird das Cache-Design mit der stetig wachsenden Leistung von CPUs Schritt halten.
Darüber hinaus wird viel getan, um die Engpässe moderner Computer zu verringern. Die Reduzierung der Speicherlatenz ist vielleicht der größte Teil davon. Die Branche arbeitet an Lösungen für dasselbe, und die Zukunft sieht sehr vielversprechend aus.
Möglicherweise haben Sie sogar von Intel Optane gehört, das als eine Art hybrider externer Cache verwendet werden kann. Wenn nicht, lesen Sie unseren Artikel über die möglichen Anwendungen von Intel Optane. Ist Intel Optane Speicher günstiger DDR3-RAM? Ist Intel Optane Memory DDR3 RAM günstig? Sie fragen sich, worum es in Intels Optane-Speicher geht? Ist es billiger Arbeitsspeicher oder etwas mehr? Folgendes müssen Sie wissen. Weiterlesen .
Weitere Informationen zu: Computerspeicher, Computerteile, CPU.
