Що таке кеш-процесора і чому він є таким важливим для ігор?

Враховуючи те, що останнім часом такі гібридні моделі, як Ryzen 7 5800X3D, завойовують звання кращих ігрових процесорів, у вас, ймовірно, виникають питання: «Що таке кеш-пам'ять процесорів і чому це так важливо?». Ми вже знаємо, що нещодавно презентовані AMD Ryzen 7000 і процесори Intel Raptor Lake 13-го покоління будуть орієнтовані на більший об'єм кеш-пам'яті, і розраховуємо, що це стане критично важливим аспектом продуктивності процесорів.

Але чи варто вам турбуватися про цю досить незрозумілу складову характеристики процесора вже зараз? У цій статті ми збираємося розібратися, що таке кеш процесора, чому він такий важливий і наскільки сильно він впливає на продуктивність у відеоіграх.

Що таке кеш процесора

Кеш - це обсяг пам'яті, який знаходиться всередині самого центрального процесора (ЦП), проте він також може бути інтегрований в окремі ядра, або розділений між деякими або всіма ядрами. Це невелика частина виділеної пам'яті, яка знаходиться безпосередньо в цьому маленькому пристрої, тому вашому процесору не потрібно виймати інформацію з оперативної пам'яті вашої системи щоразу, коли ви користуєтеся ПК.

Кожен процесор має невеликий обсяг кеш-пам'яті, при цьому найменші пристрої цієї категорії нараховують, можливо, лише кілька кілобайт цього виду пам’яті, в той час як великі потужні агрегати, в особливості – «ігрові» процесори, можуть мати багатомегабайтний запас кеш-пам'яті.

Але у вас може виникнути слушне питання: навіщо взагалі потрібний кеш, коли у нас є оперативна пам'ять, особливо коли лише одна планка може додати вашому ПК кілька додаткових гігабайт?

Вся справа у продуктивності. У 1990-х стали очевидними темпи покращення показників роботи процесорів та оперативної пам'яті. Зрештою, розробники ЦП були зосереджені на збільшенні швидкості, а творці оперативних запам’ятовуючих пристроїв (ОЗП/RAM), хотіли збільшити їх ємність і нехтували швидкістю. Для розробників центральних процесорів це стало проблемою, тому що швидкість ОЗП є вирішальним фактором продуктивності ЦП для багатьох додатків, і що більше стає розрив між цими двома показниками, тим складніше підвищити загальну продуктивність системи.

Кеш став вирішенням цієї проблеми. Хоча обсяг кеш-пам'яті невеликий у порівнянні з оперативною пам'яттю, його висока швидкість здатна компенсувати цей розрив у більшості випадків.

Однак ця технологія також не ідеальна. Її головна слабкість – розмір. З погляду габаритів він займає дуже багато місця, щодо того, який обсяг даних здатний зберігати. Кеш також стійкий до зменшення вузлів, тому, хоча ядра та інші компоненти ЦП можуть досить легко зменшуватися від одного покоління до іншого, габарити кешу знижуються у дуже повільному темпі.

Це робить його дуже дорогим компонентом ЦП, що є однією з основних причин, через яку кеш зазвичай має такий невеликий обсяг пам'яті.

Як працює кеш процесора

Масове впровадження та використання кешу призводило до його більш тендітної взаємодії з оперативною пам'яттю, поки людство не прийшло до ієрархії пам'яті, з кешем нагорі, ОЗП/RAM посередині і сховищем внизу. Цей багаторівневий підхід дозволив фізично розміщувати важливі дані ближче до ЦП, зменшуючи затримку і допомагаючи вашому ПК працювати швидше.

Кеш має власну ієрархію або рівні, які розділені на кеш L1, L2 і L3. Все це є видами кешу, проте вони виконують трохи різні функції.

Кеш L1 - це перший рівень, який вважається також найменшим, зазвичай розділений на інструкції L1 або L1i і дані L1 або L1d. Кожне ядро ЦП має свій ексклюзивний фрагмент кеш-пам'яті L1, розмір якого зазвичай становить лише декілька кілобайт. Тип даних, що зберігаються в L1, - це те, що тільки-що використовував процесор або збирається використовувати найближчим часом. Якщо йому потрібні дані, яких немає в кеші L1, він переходить до наступного рівня – L2.

Як і у випадку з L1, кеш-пам'ять L2 часто призначена тільки для одного ядра ЦП, але в деяких процесорах вона розподіляється між декількома ядрами, що робить справу зовсім іншою. Наприклад, кожне P-ядро в Core i9-12900K має 80 кілобайт кеш-пам'яті L1, а також 1,25 мегабайта L2, що майже в 16 разів більше. Однак великий кеш призводить до більш великої затримки, а це означає, що для зв'язку між ядром ЦП та кешем потрібно більше часу. Коли процесори захочуть виконувати завдання за мікросекунди або навіть наносекунди, трохи більша затримка пам'яті в L2 зіграє свою роль. Якщо ЦП неспроможний знайти запитані дані L2, він запитує їх у наступному рівні — L3.

Кеш L3 має велике значення: він розподіляється між деякими чи всіма ядрами ЦП, і є досить об'ємним. Наприклад, Intel Core 12900K має 30 МБ кеш-пам'яті L3, що у 24 рази перевищує об'єм L2. Затримка пам'яті в L3 навіть гірша, ніж у випадку з L2, але його кількість дійсно важлива, щоб процесору не доводилося вимагати необхідні дані в ОЗП/RAM. За винятком сховища, ОЗП/RAM має найгіршу швидкість і затримку в ієрархії пам'яті, і щоразу, коли ЦП потрібен доступ до ОЗП/RAM для необхідних даних, процес зупиняється. В ідеалі, все важливе повинне зберігатися як мінімум у кеші L3, щоб запобігти серйозним зависанням.

Деякі ЦП навіть мають кеш-пам'ять L4, але вона працює як ОЗП/RAM, що знаходиться всередині процесора. Деякі з перших 14-нм моделей Intel, що базуються на архітектурі «Broadwell», включали 128 МБ вбудованої DRAM, а майбутні робочі серверні пристрої Sapphire Rapids, призначені для компаній, можуть поставлятися з пам'яттю HBM2, яка використовується як додатковий рівень кеш-пам'яті.

Наскільки важливий кеш процесора для ігор

Кеш ЦП має значення для ігор. Хоча однопотокова продуктивність, міжпроцесорна взамодія (IPC) і тактова частота традиційно вважаються виключно важливими факторами ігрової продуктивності, стало зрозуміло, що кеш, ймовірно, є найбільш вагомим аргументом у конкуренції AMD та Intel.

Роль кешу в ігровій продуктивності стає вирішальною через те, як організовані відеоігрові технології сьогодні. У сучасних іграх важливим є елемент випадковості, а це означає, що центральному процесору постійно потрібно виконувати прості команди-інструкції. Без достатньої кількості кеш-пам'яті ваша відеокарта змушена буде чекати, поки ваш процесор виконає всі функції, оскільки інструкції накопичуються і забивають загальний потік завдань. Нижче ви можете побачити приклад того, наскільки велика різниця в частоті кадрів з технологією AMD 3D V-Cache Far Cry 6 та без неї.

В останні роки ми спостерігаємо тенденцію збільшення обсягу кешу для відеоігор. Процесори AMD Ryzen 3000 мали вдвічі більше кеш-пам'яті L3, ніж попереднє покоління, і працювали набагато швидше в іграх, майже наздоганяючи Intel. Коли Ryzen 5000 випустили в продаж, AMD не додала більше кеш-пам'яті, але об'єднала два блоки L3 усередині ЦП, що значно зменшило затримку та вивело AMD у лідери з продуктивності в іграх. AMD подвоїла свою технологію 3D V-Cache на Ryzen 7 5800X3D, згідно з якою 64-мегабайтна мікросхема кеш-пам'яті L3 розміщується поверх ЦП, що в сумі становить 96 МБ, що більше, ніж у флагмана Ryzen 9 5950X.

Intel наздоганяє AMD – її процесори Alder Lake поточного покоління мають до 30 МБ кеш-пам'яті L3, що значно менше, ніж у більшості моделей Ryzen, але вони також мають набагато більше кеш-пам'яті L1 і L2. Однак недолік ємності L3 у Intel не означає, що Ryzen 5000 набагато краще підійдуть для ігор. Багато оглядів Intel Core i9-12900K доводять, що 12900K не поступається Ryzen 9 5950X у плані продуктивності.

Гонка за кешем майже напевне продовжиться з появою майбутніх процесорів Ryzen та Intel. Підтверджено даними з презентації, що відбулась 27 вересня, що Ryzen 7000 має вдвічі більше кеш-пам'яті L2, в порівняні із Ryzen 5000, і ми, ймовірно, побачимо більше пристроїв, що використовують V-Cache. Тим часом, у Intel немає власного аналога V-Cache, але, з презентації процесорів, яка відбулася 28 вересня стало відомо, що Raptor Lake буде мати набагато більше кеш-пам'яті L3, ніж у Alder Lake, тільки в самому процесорі.