[PLUS] CPU-Caches: So arbeiten die schnellen Zwischenspeicher in Prozessoren

Wer einen PC aufbaut, denkt meistens in Komponenten: CPU und RAM ins Mainboard, Grafikkarte daneben, Netzteil dran - was sich eben physisch zusammensetzen lässt. Doch auch die Komponenten selbst bestehen ihrerseits aus Funktionselementen, welche in ähnlicher Weise vom Hersteller kombiniert werden. Während die Gesamtleistung dabei von der Qualität der gesamten Konstruktion abhängt, lässt sich die Leistungscharakteristik, also die Eignung für bestimmte Szenarien und die Nachteile in anderen, oft aus dem Aufbau ableiten. Entsprechend spannend ist es, Hardware mit dem zugehörigen Hintergrundwissen zu analysieren. Dank des Ryzen-9-9950X3D2-Launches war beispielsweise in letzter Zeit oft von Caches und deren Auswirkungen die Rede. Aber was ist das eigentlich, ein "Cache"? Wie funktioniert er? In welchem Kontext wurde er entwickelt?

Überblick: CPU-Bestandteile

Etymologisch kommt man der Antwort auf die erste Frage erstaunlich nahe: Unter "cache" im weitesten Sinne versteht man Lager; insbesondere kleinere Verstecke, in denen etwas befristet untergebracht wird, das später zügig an andere Stellen gebracht oder genutzt werden soll. Beispielsweise in The Witcher 3 kann der Spieler diverse "caches" finden, in denen Schmuggler und Kämpfer ihre Waren respektive Waffenreserven verstaut haben.

Um dieses Konzept im Kontext eines Prozessors zu verstehen, sollte man sich zunächst dessen andere Bestandteile in Erinnerung rufen: Im Innersten eines CPU-Kerns werkeln die eigentlichen Rechenpipelines, bei vielen Designs aufgeteilt in spezialisierte x86-Integerlogik und SIMD-Einheiten, wobei Letztere über Befehlssätze wie SSE und AVX den Löwenanteil der Fließkommaarbeit übernehmen. Begleitet und entlastet werden sie von spezialisierten Hilfseinheiten. Beispielsweise springen CPUs so oft zwischen realen und virtuellen Speicheradressen, dass sich spezialisierte Pipelines lohnen. Diesem eigentlichen Rechenwerk vorgeschaltet sind ein Scheduler, der eingehende Aufgaben verteilt, sowie ein Decoder und eine Sprungvorhersage, welche den komplexen Programmcode überhaupt erst in primitive Rechenoperationen zerlegen. Da deren Berechnungsdauer unterschiedlich ausfällt, gibt es im Backend umgekehrt Einheiten, die Ergebnisse in die richtige Reihenfolge bringen und zurück in Speicher schreiben.

Allerdings selten direkt in den Arbeitsspeicher oder gar in eine SSD. Bislang ist unsere Betrachtung immer noch auf das Innerste eines CPU-Kerns fokussiert. PCIe- und RAM-Controller sind weit weg - durchaus auch physisch, denn sie werden von allen Kernen gemeinsam genutzt. Schreibbefehle an sie müssten erst einmal großräumig weitergeleitet werden. (Mehr zur Vernetzung innerhalb eines Prozessors lesen Sie in unserem Interconnect-Deep-Dive.) Lokale Speicher wären schneller, auch in Gegenrichtung bei Ladevorgängen. Formell werden Daten und Befehle zwar auf Anweisung im Programmablauf aus dem Arbeitsspeicher geladen; praktisch ist bei modernen Prozessoren aber schon vorher ein Prefetcher tätig.

[PLUS] CPU-Wissen: Deep Dive zu Interconnects bei Prozessoren

PCGH Plus: Prozessoren werden immer mächtiger und stehen dabei einem Problem gegenüber, das früher eher Mainboards hatten: Wie verbindet man so viele Funktionseinheiten schnell genug untereinander?

mehr ...

Die CPU-Geschwindigkeitszuwächse der letzten Jahrzehnte sind nur möglich, weil Befehle vorab gelesen und vorbereitet werden - einschließlich der lokalen Bereitstellung von Daten. Diese latenzreduzierende Arbeitsweise ist übrigens einer der fundamentalen Unterschiede zwischen CPUs und diversen Spezialprozessoren. Beispielsweise weisen GPUs oft ein Vielfaches an Rohrechenleistung auf, versagen aber bei komplex gestaffelten Abläufen. Während eine GPU nämlich bestenfalls ein paar Shader zwecks besserer Auslastung reordert, beginnen CPUs oft wortwörtlich den zweiten Schritt vor dem ersten.

Merkmale von Caches

Artikel teilen

PCGH Plus: Was ein Prozessor macht, wissen die meisten. Aber wie geht er dabei vor? In einem Deep-Dive wollen wir diese Frage für einen Teil beantworten, der zuletzt besonders oft diskutiert wurde: schnelle Zwischenspeicher. Der Artikel stammt aus PC Games Hardware 07/2026.

Per E-Mail versenden

0