In den Achtzigerjahren wurden Mikroprozessoren stets schneller, während die Speicherzugriffszeiten stagnierten und zusätzliche Leistungssteigerungen behinderten. Deshalb musste etwas unternommen werden, um den Zugriff auf den Speicher zu beschleunigen und das gesamte System damit effizienter arbeiten zu lassen.
Die Diskrepanz zwischen der Rechen- und der Speichergeschwindigkeit führte dann letzten Endes zur Entwicklung des Cache. Im Grunde genommen handelt es sich beim Cache um eine schnelle Speicherart. Er enthält einen kleinen Speicherbereich mit den Befehlen, die der Rechner höchstwahrscheinlich als Nächstes benötigt, wenn er bestimmte Aufgaben ausführen soll.
Das System lädt diese Informationen mithilfe komplexer Algorithmen in den Cache. Der Hauptzweck eines Cache-Systems besteht darin sicherzustellen, dass der Prozessor unmittelbaren und sofortigen Zugriff auf die benötigten Daten in der richtigen Reihenfolge hat.
Um die Arbeitsweise zu verstehen, muss man zunächst einmal wissen, dass PCs mit drei verschiedenen Speichertypen arbeiten: Den Anfang macht der primäre Speicher in Form einer Festplatte (HDD) oder SSD (Solid State Disk). Hierbei handelt es sich um den Speicher mit der größten Kapazität. Dann kommt der Arbeitsspeicher (RAM), der zwar um einiges schneller, jedoch auch kleiner ist als der primäre Speicher.
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Zu guter Letzt gibt es ebenfalls Speicher innerhalb des Prozessors – eben den Cache. Er ist der Speichertyp, der am schnellsten arbeitet. Sobald ein Programm startet, führt es eine Serie von Befehlen aus, die sich im Code der Software finden lassen. Diese Befehle lädt das Programm zuerst in das RAM, von dort aus werden sie in die CPU transferiert. Für eine bestmögliche Ausführung dieser Befehle benötigt der Prozessor einen sehr flotten Speicher – genau hier kommt der Cache ins Spiel.
Beim Cache handelt es sich dabei um einen temporären Datenspeicher, der sich direkt auf dem Prozessor befindet. Er wird verwendet, um die Verarbeitungseffizienz des Prozessors zu erhöhen, indem häufig angeforderte Datenbits bereitgehalten werden, um sie mit hoher Geschwindigkeit abzurufen.
Der Cache-Speicher besteht aus verschiedenen Ebenen, die als L1, L2, L3 und gelegentlich als L4 bezeichnet werden und sich in Ort, Geschwindigkeit und Größe unterscheiden. Der Cache-Speicher ist extrem schnell und möglichst nah an den Prozessorkernen positioniert. Moderne, schnelle CPUs werden hierdurch nicht durch Anforderungen nach Daten aus dem relativ langsamen Systemspeicher (RAM) ausgebremst. Sie können die Daten stattdessen aus dem Cache abrufen.
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Der L1-Cache, auch als primärer Cache bezeichnet, ist die kleinste und schnellste Speicherebene. Er beträgt in der Regel 64 KB pro Kern, sodass beispielsweise eine Quad-Core-CPU insgesamt auf 256 KB kommt.
Eine CPU hat in der Regel drei Cache-Speicherebenen. Beim Neukauf stehen sie nicht im Fokus, obwohl sie einen wichtigen Aspekt der CPU-Architektur darstellen.
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Der L2-Cache ist der sekundäre Speicher-Cache, der ebenfalls in jedem einzelnen Kern der CPU eingebettet ist. Er hat beinahe immer mehr Speicherplatz als der L1-Cache, arbeitet allerdings mit einer geringeren Geschwindigkeit, wenn auch immer noch deutlich schneller als der Arbeitsspeicher. Einige High-End-Prozessoren können insgesamt 32 MB L2-Cache haben, jedoch sind 6 bis 12 MB der Durchschnitt.
Nun zum dritten Cache: Im Gegensatz zu den in jedem CPU-Kern eingebetteten L1- und L2- Caches dient der L3-Cache als gemeinsamer Speicherpool, auf den der gesamte Prozessor zugreifen kann. Er ist wesentlich langsamer als die L1- und L2-Cache-Ebenen – und in der Regel nur doppelt so schnell wie das RAM. Gleichzeitig ist er die größte aller drei Speicherebenen. Wenn die CPU die benötigten Daten nicht im Cache-Speicher findet, muss sie die Daten stattdessen aus dem langsameren Systemspeicher anfordern. Dies wird als Cache-Miss bezeichnet.
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Zur Frage, ob sich der Cache manuell löschen lässt: Grundsätzlich gibt es Speicher-Caches, die sich löschen oder leeren lassen, wie etwa der System-Cache oder der Browser-Cache. Den CPU-Cache-Speicher können Sie allerdings nicht aktiv löschen. Der Grund: Es handelt sich dabei um flüchtigen Speicher. Das bedeutet, dass er seine Inhalte nicht langfristig behält.
Sobald Sie den Computer ausschalten, geht der Inhalt im Cache-Speicher verloren. Wie bei den meisten Arten von Speicher gilt: Je mehr Cache eine CPU bietet, desto besser. Sie können den Cache-Speicher nicht aufrüsten, deshalb ist es wichtig, dass der Prozessor, den Sie wählen, genug Speicher bereithält.
Das hängt aber davon ab, was Sie mit Ihrem Computer machen. Gleichzeitig sollten Sie sich jedoch nicht zu sehr auf dieses eine CPU-Feature konzentrieren. Taktgeschwindigkeiten, die Anzahl der Kerne wie auch Threads und andere Faktoren beeinflussen die CPU-Leistung stärker.
Jeder CPU-Kern hat eigene Cache-Speicher (L1 und L2). Den L3-Cache teilen sich alle Kerne – er ist die größte, aber auch die langsamste der drei Speicherebenen.
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Eine gute Basis für den L1-Cache sind 64 KB pro Kern. Sie können dies herausfinden, indem Sie die Gesamtmenge durch die Anzahl der Kerne in der CPU teilen. Ein 256 KB großer L2-Cache pro Kern ist völlig akzeptabel, aber Gamer könnten von 512 KB pro Kern profitieren. Und alles zwischen 32 und 96 MB L3-Cache ist für die meisten Zwecke absolut in Ordnung.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Cache-Speicher ein unverzichtbarer Bestandteil moderner CPUs ist. Obwohl die Unterschiede zwischen L1, L2 und L3 auf den ersten Blick komplex erscheinen, tragen sie dazu bei, die Effizienz und Leistung eines Computers zu maximieren. Steht bei Ihnen ein CPU-Kauf an, empfiehlt es sich, den Cache als wichtigen Aspekt der Prozessorarchitektur zu berücksichtigen.