L1-, L2- und L3-Cache: Was ist der Unterschied?

Moderne Computerprozessoren verwenden alle ein mehrstufiges Cache-Speichersystem, das es ermöglicht, Daten für einen schnellen Zugriff vorübergehend auf dem Chip zu speichern. Das Verständnis der Unterschiede zwischen L1-, L2- und L3-Cache kann wichtig sein, wenn Sie mit der nächsten CPU, die Sie kaufen, die beste Leistung erzielen möchten.

Was ist CPU-Cache-Speicher?

Der CPU-Cache-Speicher ist eine Art temporärer Datenspeicher, der sich auf dem Prozessor befindet. Es wird verwendet, um die Verarbeitungseffizienz der CPU zu erhöhen, indem kleine, häufig angeforderte Datenbits für den Zugriff mit hoher Geschwindigkeit bereitgehalten werden. Der Cache-Speicher besteht aus verschiedenen Speicherebenen. Diese Ebenen werden allgemein als L1, L2, L3 und gelegentlich L4 bezeichnet und variieren in Lage, Geschwindigkeit und Größe.

Um besser zu verstehen, warum die CPU einen eigenen Speichercache benötigt, müssen wir uns die Entwicklung von Prozessoren und RAM ansehen. Der Geschwindigkeitsunterschied zwischen Prozessor und RAM war bei frühen Computern minimal. Es gab kaum Bedenken, dass die Verarbeitung durch den Speicher verlangsamt werden könnte. Da die Betriebsgeschwindigkeit der Zentralprozessoren weit schneller stieg als die RAM-Geschwindigkeit, bestand die Notwendigkeit, diese Ungleichheit irgendwie zu verringern. Die Antwort war Cache-Speicher.

Cache-Speicher sind sowohl extrem schnell, oft zwischen 10 und 100 Mal schneller als DRAM, als auch physisch nahe an den Prozessorkernen. Moderne, schnelle Prozessoren werden nicht dadurch verlangsamt, dass sie Datenanforderungen aus dem relativ langsamen Systemspeicher stellen müssen, da sie die Daten stattdessen aus dem Cache abrufen können.

Der Grund, warum dieser als SRAM bekannte Speichertyp nicht nur anstelle des DRAM in einem Computer verwendet wird, liegt in seinen Kosten. Der Cache-Speicher einer CPU ist relativ klein, wird in Kilobyte oder Megabyte statt in Gigabyte gemessen und wäre bei der gleichen Größe wie moderne RAM-Module unerschwinglich teuer in der Herstellung.

Cache-Speicher sollte nicht mit anderen Cache-Typen verwechselt werden, die häufig in Ihrem Computer vorkommen. Obwohl sich „Cache“ auf verschiedene Arten von temporärem Speicher beziehen kann, der zur Steigerung der Effizienz von Software oder Hardware verwendet wird, ist Cache-Speicher spezifisch für die Prozessorhardware.

Was ist L1-Cache?

Der L1-Cache, manchmal auch Primärcache genannt, ist die kleinste und schnellste Speicherebene. Normalerweise ist es 64 KB groß, aber jeder Kern des Prozessors verfügt über einen eigenen integrierten L1-Cache, sodass eine Quad-Core-CPU insgesamt 256 KB hätte.

Wenn Sie sich die Speicherdetails in einem Tool wie CPU-Z ansehen, werden Sie feststellen, dass der L1-Cache in zwei weitere Ebenen aufgeteilt ist: L1-I (Anweisung) und L1-D (Daten). Der L1-Befehlscache verarbeitet Informationen, die dem Prozessor zugeführt werden, während der Datencache Informationen enthält, die in den Hauptspeicher geschrieben werden sollen.

Der Level-1-Cache kann Daten genauso schnell oder schneller als die maximale Betriebsgeschwindigkeit der CPU übertragen, was ihn äußerst effizient macht. Wenn der Prozessor die erforderlichen Daten in L1 nicht findet, sucht er im L2- und L3-Cache danach.

Was ist L2-Cache?

Der L2-Cache ist ein sekundärer Speichercache, der ebenfalls in jeden einzelnen Kern der CPU eingebettet ist. Es verfügt fast immer über mehr Speicherplatz als L1, arbeitet jedoch mit einer langsameren Geschwindigkeit, wenn auch immer noch viel schneller als die RAM-Geschwindigkeit.

Einige High-End-Prozessoren verfügen möglicherweise über insgesamt 32 MB L2-Cache, aber 6–12 MB sind wahrscheinlich der Durchschnitt. Wie bereits erwähnt, wird dieser gleichmäßig auf alle Kerne aufgeteilt, sodass jeder unabhängig auf seinen eigenen Cache zugreifen kann.

Was ist L3-Cache?

Anstatt in jeden CPU-Kern eingebettet zu sein, fungiert der Level-3-Cache als gemeinsamer Speicherpool, auf den der gesamte Prozessor zugreifen kann. Er ist weitaus langsamer als L1- und L2-Cache, vielleicht nur doppelt so schnell wie RAM, aber der größte aller drei Speicherebenen.

Wenn die CPU die benötigten Daten nicht im Cache-Speicher findet, muss sie die Daten stattdessen vom langsameren Systemspeicher anfordern. Dies wird als Cache-Miss bezeichnet. Die Einführung des L3-Caches verringerte die Wahrscheinlichkeit eines Fehlschlags und trug somit zur Verbesserung der Leistung bei.

Bei der ersten Entwicklung befand sich der L3-Cache oft in einem separaten Chip auf der Hauptplatine. Moderne CPUs verfügen mittlerweile fast ausschließlich über L3-Cache an Bord, um die Effizienz zu steigern.

L1 vs. L2 vs. L3 Cache: Was sind die Unterschiede?

Die Hauptunterschiede zwischen den drei Ebenen des Cache-Speichers sind Größe, Geschwindigkeit und der Ort, an dem sie sich befinden.

• Der L1-Cache hat eine geringe Speicherkapazität, ist aber normalerweise der schnellste Speicher in jedem Computer, bis zu 100-mal schneller als RAM. Jeder Prozessorkern verfügt über einen eigenen L1-Cache, normalerweise etwa 64 KB.
• Der L2-Cache kann um ein Vielfaches größer sein als der L1-Cache, ist aber nur etwa 25-mal so schnell wie der RAM. Wie L1 verfügt jeder Prozessorkern über einen eigenen L2-Cache. Jedes ist üblicherweise 256–512 KB groß, manchmal sogar bis zu 1 MB.
• Der L3-Cache hat die größte Speicherkapazität, oft 32 MB oder mehr, ist aber möglicherweise nur doppelt so schnell wie der Systemspeicher. Der L3-Cache ist üblicherweise in die CPU eingebettet, jedoch getrennt von den Kernen.

Kann der Cache-Speicher gelöscht werden?

Es gibt Speicher-Caches, die gelöscht oder geleert werden können, z. B. der System-Cache oder der Browser-Cache, aber Sie können den CPU-Cache-Speicher nicht löschen. Genau wie DRAM ist SRAM ein flüchtiger Speicher, das heißt, er behält seinen Inhalt nicht langfristig. Sobald Sie den Computer ausschalten, geht der gesamte Cache-Speicher verloren.

Wie viel Cache-Speicher benötige ich?

Wie bei den meisten Speichertypen gilt: Je mehr Cache eine CPU hat, desto besser. Da Sie den Cache-Speicher nicht aufrüsten können, ist es wichtig, sicherzustellen, dass der von Ihnen gewählte Prozessor über ausreichend Kapazität für Ihre Anforderungen verfügt. Das heißt, es hängt davon ab, was Sie mit Ihrem Computer machen, und Sie sollten sich nicht auf diese eine CPU-Funktion beschränken. Taktraten, Anzahl der Kerne und Threads sowie andere Faktoren können sich alle auf die CPU-Leistung auswirken.

Eine gute Basis für den L1-Cache sind 64 KB pro Kern. Sie können dies ermitteln, indem Sie die Gesamtmenge durch die Anzahl der Kerne in der CPU dividieren. 256 KB L2-Cache pro Kern sind völlig akzeptabel, Gamer sollten jedoch nach 512 KB pro Kern suchen. Für die meisten Zwecke ist alles zwischen 32 und 96 MB L3-Cache ausreichend.

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