O cache da CPU é uma pequena memória temporária localizada no próprio chip da CPU. Ele armazena dados pré-buscados que a CPU provavelmente precisará para acesso rápido. Isso é necessário para garantir que a RAM não cause gargalos na CPU.
CPUs modernas normalmente implementam cache de CPU em 3 níveis – L1, L2 e L3. Eles desempenham um papel importante na determinação do desempenho da CPU (especialmente para determinadas tarefas, como jogos).
Então, vamos ver como funciona o cache da CPU, por que isso é importante e quanto cache da CPU você precisará para o seu cargas de trabalho.
O que o cache da CPU faz
Os programas que você executa são primeiro carregados na RAM. A CPU busca, decodifica e executa instruções da memória principal.
O’problema’com isso é que os processadores modernos são extremamente poderosos (capazes de executar bilhões de instruções por segundo).
Por exemplo, o AMD Ryzen 9 3950X tem uma velocidade de clock base de 3,5 GHz (3,5 bilhões de ciclos por segundo). Ele pode executar mais de cem instruções em um único ciclo de clock.
No entanto, o acesso aos dados da RAM pode levar centenas de ciclos. São muitos ciclos desperdiçados pelos quais a CPU fica paralisada.
Se a CPU tivesse que acessar dados da RAM todas as vezes, isso criaria um gargalo significativo e prejudicaria o desempenho do sistema. É aqui que o cache da CPU entra em ação.
A CPU analisa padrões de acesso para prever quais dados e instruções provavelmente serão necessários em seguida. Em seguida, ele os move da RAM para o cache da CPU antes que sejam realmente necessários (isso é chamado de pré-busca).
Dependendo do nível, acessando dados do cache da CPU pode ser cem vezes mais rápido do que fazer isso na RAM. Portanto, o atraso da CPU é significativamente reduzido.
Cache L1 vs L2 vs L3
As CPUs atuais implementam 3 níveis de cache da CPU para maximizar o desempenho. Isso permite que eles atinjam o ponto ideal em termos de tamanho de cache, latência e taxa de acertos.
L1 – mais rápido, mas menor, por núcleo (128 KB – 2 MB no total) L2 – latência e capacidade médias, pode ser por núcleo ou compartilhado (256 KB – 32 MB no total) L3 – mais lento, mas maior, compartilhado (1 MB – 128 MB no total)
Você pode obtenha os números exatos da sua CPU on-line ou usando ferramentas de criação de perfil do sistema, como CPU-Z e HWiNFO.
Estatísticas de cache do Ryzen 7 5700G em CPU-Z e HWiNFO
No meu Ryzen 7 5700G, você pode ver que ele está dividido em Dados L1 e Instruções L1. 32 KB de ambos os caches estão incorporados em todos os 8 núcleos. Isso significa que o cache L1 total é de 512 KB.
Como o cache L1 é o nível de memória menor/mais rápido, a CPU primeiro verifica se os dados necessários estão em L1. Se os dados estiverem presentes, ele imediatamente lê ou grava em L1. Isso é chamado de acerto de cache.
Às vezes, os dados necessários não estarão em L1. Isso é chamado de perda de cache. Neste caso, a CPU verifica o próximo nível de cache mais rápido, ou seja, L2.
O cache L2 é maior, mas mais lento em comparação com L1. Pode ser implementado por núcleo ou como um pool compartilhado. No 5700G, ele é dividido em 8 vias (512 KB por núcleo), o que totaliza 4 MB.
Se ocorrer uma falha de cache em L2, a CPU verifica L3 em seguida. Este é o maior nível de cache da CPU, mas também possui a latência mais alta. Por exemplo, o 5700G tem um cache L3 de 16 MB implementado como um pool compartilhado.
Se ocorrer uma falha de cache novamente, a CPU verifica a RAM e, em seguida, a unidade de armazenamento.
Níveis de cache da CPU de perto
Antes de prosseguir, vamos ver como são os níveis de cache da CPU em um dado de CPU real para entender melhor as coisas.
Se você desmontar uma CPU e lixar a camada inferior da matriz da CPU, poderá expor os circuitos reais da CPU.
Por exemplo, a camada inferior de um chip de CPU i9-13900K se parece com isto:
Intel Core i9-13900K filmado por Fritzchens Fritz
Gire a imagem no sentido anti-horário para fazer o close-up horizontal. Em seguida, compare-o com esta interpretação. Você verá exatamente como os diferentes níveis de cache são implementados.
Molde original fotografado por Fritzchens Fritz, rótulos adicionados por JmsDoug
Ao verificar os dados das ferramentas de perfil do sistema, você terá uma ideia ainda mais clara do Distribuição de cache da CPU.
No caso do i9-13900K, você pode ver como os caches L1 e L2 são distribuídos entre os núcleos P e os núcleos E.
Distribuição de cache Intel Core i9-13900K em CPU-Z
Quanto cache de CPU você precisa
O cache da CPU é claramente importante para o desempenho da CPU. Mas o que isso significa para o usuário final? As CPUs com cache mais alto são sempre melhores?
Tudo depende da finalidade para a qual você usará a CPU.
Há muitos fatores a serem considerados ao escolher uma CPU – velocidade do clock, núcleo contagem, geração de CPU, arquitetura, TDP, cache e assim por diante. Todos eles estão interligados e determinam o desempenho da CPU juntos.
Portanto, geralmente é difícil destacar um elemento como o cache e atribuir desempenho a ele. Mas há exceções.
Veja as CPUs para jogos X3D da AMD, por exemplo. O Ryzen 5800X e 5800X3D são basicamente semelhantes. A única diferença é uma velocidade de clock um pouco menor, mas tripla o cache L3 no 5800X3D (32 MB versus 96 MB).
Os benchmarks para esses processadores mostram que o desempenho difere de acordo com a carga de trabalho.
Em benchmarks sintéticos e tarefas de produtividade, como edição de vídeo, o cache extra não faz diferença. Isso ocorre porque a taxa de acerto L3 já é muito alta para dados sequenciais. Na verdade, a frequência um pouco mais baixa significa que o 5800X3D pode ter um desempenho ainda pior. Mas o 5800X3D brilha para tarefas como jogos, onde a CPU precisa acessar frequentemente dados aleatórios do L3. Em média, o cache extra resulta em uma melhoria de 10-15% no FPS médio e uma melhoria de 20% ou mais em 1% de mínimos. Estes são resultados incríveis considerando que a única diferença é um cache maior.
Para reiterar, não há um número definido para a melhor quantidade de cache. Pode não ter praticamente nenhum impacto ou fazer uma enorme diferença dependendo da carga de trabalho. Portanto, depende apenas de para que você usará a CPU.
A maioria das CPUs de consumo tem uma quantidade padrão de cache de CPU destinada a funcionar para a maioria das pessoas. Seja qual for a CPU que você planeja adquirir, verifique os benchmarks on-line e veja seu desempenho nas tarefas para as quais você a usará principalmente.
Se houver opções semelhantes com cache maior ou menor, verifique também os benchmarks para elas. Em seguida, decida qual deles se adapta melhor aos seus casos de uso.
