Den Computer als ein einziges, unteilbares Element zu betrachten, ist für den durchschnittlichen Nutzer völlig normal. Doch im Hintergrund arbeiten viele komplexe Systeme und Ressourcen zusammen, um maximale Leistung zu garantieren. Eines der wichtigsten ist der Cache-Speicher, der in Prozessoren, Festplatten, Solid-State-Laufwerken und anderen Komponenten steckt. Du willst wissen, was der Cache ist und wie er funktioniert? Dann lies weiter.
Geschwindigkeit!
Schneller. Alles muss schneller laufen, weniger Zeit in Anspruch nehmen und sich auf den Nutzer einstellen. Unsere Ansprüche sind im Laufe der Jahre gestiegen, und wenn es ein Leistungsproblem gibt, werfen wir einfach mehr Hardware auf das Problem. MS-DOS 6.22 kam zwischen April und Juni 1994 in die Regale, und von da an ließen wir die berühmte 640-Kilobyte-RAM-Basis hinter uns. Heute braucht ein Computer 8 Gigabyte RAM als absolutes Minimum, und für fast alle Umgebungen werden bereits 16 GB empfohlen.
Aber mehr Kerne oder mehr Speicher sind nicht die ganze Geschichte. Es gibt andere wichtige Mitspieler, die die Leistung spektakulär steigern können – oder ein System ohne sie auf die Knie zwingen. Der Fall der Cache-Speicher ist einer der am häufigsten zitierten. Was ist der Cache und wie funktioniert er?
Was ist der Cache?
Locker gesagt ist der Cache-Speicher eine Art temporärer Speicher, der Daten ablegt, um sie dem Nutzer in Zukunft schneller zur Verfügung zu stellen. Du hast es sicher schon in Aktion gesehen: Wenn du ein Programm öffnest, es schließt und sofort wieder öffnest, wirst du feststellen, dass der zweite Start viel schneller ist – dank des Caches und des Arbeitsspeichers.
Die Idee ist, die Zugriffszeiten zu verkürzen. Wenn du ständig dieselben Dateien liest und ausführst, warum solltest du sie von einem Speichermedium oder einem langsameren Speicher lesen, wenn eine Prise Cache den gesamten Prozess beschleunigen kann? Ein weiterer interessanter Aspekt ist, dass der Cache als Software- und/oder Hardwarelösung auftritt. Nicht weit gegangen: Das klassische SuperFetch (jetzt SysMain) nutzt den Arbeitsspeicher des Systems als riesigen Cache, um Anwendungen vorzuladen. Auf der Hardwareseite gibt es Dinge wie den Prozessor-Cache und den DRAM-Cache in SSDs.
Cache im Prozessor
Der Prozessor zeichnet sich durch mehrere Ebenen des Caches aus. Ein sehr großer Cache hat eine ausgezeichnete Trefferquote (Hit Rate), zahlt aber mit zusätzlicher Latenz. Die mehreren Ebenen sollen das ausgleichen: zuerst kleine, extrem schnelle Caches, gefolgt von langsameren.
Diese Konfiguration erlaubt es den Kernen, Daten schneller zu verarbeiten und möglichst den Flaschenhals beim Zugriff auf den allgemeinen Speicher zu vermeiden. Das Problem ist älter, als wir denken: Alle Pfeile zeigen auf Sir Maurice Vincent Wilkes, einen britischen Wissenschaftler der Universität Cambridge, als Erfinder des Cache-Konzepts im Jahr 1965, damals „Slave-Speicher“ genannt.
Ein relativ moderner Prozessor wie der Intel Core i7-10700F hat drei Cache-Ebenen: L1 unterteilt in 8 x 32 Kilobyte für Daten und weitere 8 x 32 Kilobyte für Anweisungen, einen L2-Cache von 8 x 256 Kilobyte und schließlich einen L3-Cache, der über alle Kerne geteilt wird, mit insgesamt 16 Megabyte. Das war nicht immer so: Die alten 486er und Pentiums boten nur L1-Cache, und für den Zugriff auf L2-Cache waren wir auf das Mainboard angewiesen, mit integrierten Chips oder einem Erweiterungssockel.
Historische und aktuelle Beispiele
Wie wichtig ist der Cache-Speicher in Prozessoren? Der ursprüngliche Celeron ist ein deutliches Beispiel: Intel brachte ihn als kostengünstige Option auf den Markt, schnitt den L2-Cache weg, und das Ergebnis war eine anämische CPU, die wir bis zum Limit übertakten mussten, um etwas Trinkbares zu erhalten.
Kurz darauf erschien der Celeron 300A „Mendocino“ mit 128 KB integriertem L2-Cache. Diese 128 Kilobyte genügten, um die Leistung des vorherigen Chips zu verdoppeln und den Celeron 300A zu einem der besten Prozessoren in der Geschichte des Übertaktens zu machen.
Die Auswirkungen bei modernen Prozessoren zu bewerten, ist komplizierter, aber nicht unmöglich. Tatsächlich haben die Leute von Hardware Unboxed ein hervorragendes Video veröffentlicht, das den Anstieg des L3-Caches bei gleicher Kern- und Threadanzahl vergleicht. Im Wesentlichen wurden die Intel Core i9-10900K (10C/20T), Core i7-10700K (8C/16T) und Core i5-10600K (6C/12T) gezwungen, mit derselben Konfiguration wie der Core i3-10105F (4C/8T) zu arbeiten. Der Unterschied in der Größe des L3-Caches verschafft den höheren Chips einen gewissen Vorteil, aber der Nutzen erstreckt sich nicht auf alle Spiele.
(Anmerkung der Redaktion: Video auf Englisch, aber die Tabellen sind am wichtigsten.)
Kurz zusammengefasst
Der Cache-Speicher ist ein Abkürzungsweg, eine Ergänzung, die uns hilft, häufig verwendete Daten schneller und effizienter zu erreichen. Mehr davon ist besser, aber die Struktur muss stimmen. Du willst mehr über den Cache wissen? Die Zusammenfassung von HWiNFO (die auch Temperatur und Spannungen deines PCs messen kann) zeigt alle Informationen deines Prozessors. Diese aktualisierte Liste zeigt SSD-Modelle mit integriertem DRAM-Cache, und wenn du Fragen zu SuperFetch auf deinem System hast, kannst du es jederzeit deaktivieren. Viel Glück!
