CPU-Cache: Was ist das und wie funktioniert er?

Wer sich schon einmal tiefer mit Prozessoren und deren Bestandteilen beschäftigt hat oder regelmäßig Artikel wie diesen liest, dürfte bereits über ein oft wenig beachtetes Bauteil von CPUs gestolpert sein: Den Cache.

Was dieser Bestandteil moderner Prozessoren macht, zwischen welchen Arten von Cache man unterscheiden kann und wann Cache wirklich wichtig wird, erklären wir im folgenden Ratgeber.

Was ist der CPU-Cache?

Der Cache ist ein Speicher auf dem Prozessor. Er soll dabei helfen, Zeit und Energieaufwand beim Zugreifen auf Daten gering zu halten.

Dabei ist der Cache zwischen CPU und Arbeitsspeicher geschaltet. Müsste die CPU alle Daten aus dem Arbeitsspeicher holen, würde dies zu zu langen und energieschluckenden Zugriffen führen, die das System ausbremsen und die Stromrechnung unnötig in die Höhe treiben.

Daher fungiert der Cache als Zwischenspeicher mit kleinerer Speichergröße, der den Arbeitsspeicher entlastet und effiziente Datenabfragen erlaubt. Um dabei möglichst effizient zu sein, werden auf dem Cache die Daten gespeichert, die die CPU wahrscheinlich als nächstes benötigt.Als wäre die Sache nicht kompliziert genug, unterscheidet man beim Cache auch noch zwischen drei verschiedenen Leveln, die sich alle auf handelsüblichen Prozessoren wiederfinden:

• L1-Cache (First-Level-Cache): Der schnellste und kleinste Zwischenspeicher. Er ist überlicherweise nur mehrere KB groß (z.B. 80 KB bei Intel Alder Lake) und enthält die am häufigsten benötigten Daten und Befehle für den Prozessor, die meist aus Platzgründen getrennt voneinander auf dem L1-Cache gespeichert werden.
• L2-Cache (Second-Level-Cache): Der L2-Cache ist langsamer, aber dafür auch größer als der L1-Cache. In ihm werden Daten aus dem Arbeitsspeicher zwischengespeichert, um einen schnelleren Zugriff durch den Prozessor zu erlauben. Früher kam dem L2-Cache damit eine hohe Bedeutung zu. Seit der Einführung des L3-Caches mit Mehrkern-Prozessoren hat der L2-Cache etwas an Bedeutung verloren. Bei der Größe des L2-Caches bewegen wir uns meist schon im MB-Bereich (z.B. 2 MB bei den P-Cores von Intel Alder Lake).
• L3-Cache (Third-Level-Cache): Der momentan größte und langsamste Cache. Er kommt bei aktuellen Mehrkern-Prozessoren zum Einsatz und gleicht die schnelleren Caches der einzelnen Kerne ab, um ihre Daten konsistent zu halten. Während jeder Kern üblicherweise über einen L1- und L2-Cache verfügt, teilen sich bei Mehrkern-Prozessoren alle Kerne einen gemeinsamen L3-Cache. Größentechnisch bewegt sich L3-Cache aktuell meist im zweistelligen MB-Bereich (z.B. 30 MB beim Intel Core i9-12900K).

Darüber hinaus unterscheidet man bei modernen CPUs zwischen inklusivem und exklusivem Cache. Inklusiv-Cache ist Cache, bei dem die Daten auf dem ersten Level (L1) auch auf den nachfolgenden Leveln (L2 und L3) gespeichert werden. Bei Exklusiv-Cache hingegen werden diese Daten nicht gespeichert. Ersteres sorgt für eine bessere Konsistenz der Daten, während zweiteres für mehr Speicherplatz sorgt.

Außerdem macht aktuell der Begriff 3D V-Cache seine Runde. Dabei handelt es sich um eine neue Form von L3-Cache, die bei AMD-Prozessoren zum Einsatz kommt. Hierbei stapelt man den Cache in der Höhe, also dreidimensional, was deutlich größere Speichermengen (96 MB beim Ryzen 7 5800X3D) ermöglicht.

Wie funktioniert der Cache einer CPU?

Wenn auf dem Rechner ein Programm gestartet wird, werden Daten vom Arbeitsspeicher des Systems in den Cache geladen. Dabei landen die Daten zuerst im L3-Cache des Prozessors, werden von dort in den L2-Cache und daraufhin in den L1-Cache geladen.

Der Prozessor geht dann bei der Suche nach einem bestimmten Datenpunkt genau umgekehrt vor: Er prüft zuerst den schnellen L1-Cache, dann den L2-Cache, daraufhin den L3-Cache und zuletzt aus dem Arbeitsspeicher selbst.

Wie wichtig ist der Cache bei einem Prozessor?

Ohne Cache dauert jede Datenabfrage der CPU aus dem Arbeitsspeicher länger. Dabei hat die Geschwindigkeit, mit der Daten aus dem RAM abgefragt werden, eine feste Obergrenze.

Je höher der Takt, also die pozentielle Abfragegeschwindigkeit des Prozessors, über diesem Wert liegt, desto wichtiger wird auch der Cache. Denn ein hoher Takt ohne Cache bedeutet auch hohes verschenktes Potenzial.

Für Endanwender*Innen ist diese Frage aber eher theoretischer Natur. Sowohl AMD als auch Intel statten ihre aktuellen Desktop- und Notebook-CPUs mit L1-, L2- und L3-Cache aus, um schnelle Datenabfragen zu ermöglichen.