CPU-Cache: Bedeutung von L1, L2, L3 fürs Gaming

Bei der Suche nach einer der besten Gaming-CPUs seid ihr sicherlich schon über den Begriff CPU-Cache gestolpert (vor allem nach dem Release des starken Ryzen 7 5800X3D).

Doch was genau ist das und warum gibt es die Typen L1, L2 und L3-Cache? Und wie wichtig ist das Ganze fürs Gaming? In diesem Ratgeber erfahrt ihr alles zum Thema CPU-Cache, damit ihr den Begriff richtig einordnen könnt.

Was ist der CPU-Cache?

Der CPU-Cache ist die Menge an Speicher, die sich in der CPU selbst befindet. Dieser ist entweder in einzelne CPU-Kerne integriert oder wird von einigen oder allen Kernen gemeinsam genutzt.

Der CPU-Cache ist also ein dedizierter Speicher, der dem Prozessor direkt und temporär zur Verfügung steht. Dadurch muss eure CPU nicht jedes Mal Informationen aus dem Arbeitsspeicher (System-RAM) abrufen, wenn ihr etwas auf eurem PC tun wollt.

Ergo fungiert der Cache als eine Art Verbindung zwischen RAM und CPU. Das erhöht die Effizienz und Geschwindigkeit der CPU.

Er ist auch unter den Namen Cache-Speicher, CPU-Speicher oder Cache Memory bekannt und ist in jedem modernen Prozessor vorhanden. Kleinere Prozessoren haben nur wenige Kilobyte davon, wohingegen größere CPUs viele Megabytes haben können.

Was ist der Unterschied zwischen RAM und Cache?

Der Cache-Speicher basiert auf dem viel schnelleren (und teuren) statischen RAM (auch SRAM genannt), während der Systemspeicher den langsameren DRAM (Dynamic RAM) nutzt.

Der Hauptunterschied zwischen den beiden besteht darin, dass ersterer aus CMOS-Technologie und Transistoren besteht, während letzterer Kondensatoren und Transistoren verwendet.

DRAM muss ständig aktualisiert werden um Daten für längere Zeiträume zu speichern. Dadurch verbraucht er deutlich mehr Strom und ist auch langsamer. SRAM muss nicht aktualisiert werden und ist viel effizienter.

Wenn euer PC schnell auf Daten zugreifen muss, diese aber nicht im Cache finden kann, sucht er sie im Arbeitsspeicher (RAM). Dieser ist jedoch weiter entfernt von der CPU als der Cache-Speicher und nicht so schnell.

Der CPU-Cache ist tatsächlich 100-mal schneller als Standard-RAM, jedoch auch sehr viel teurer. Deshalb sind Mengen davon auch so viel kleiner.

L1, L2, L3: Wo sind die Unterschiede?

Heutige CPU-Chips enthalten zwei oder drei Caches mit den Bezeichnungen L1, L2 und L3. Diese könnt ihr als Ebenen oder Schichten verstehen.

Dabei ist L1 der schnellste, jeder nachfolgende Cache ist langsamer und größer als L1. Anweisungen und Daten werden vom Hauptspeicher zu L3 zu L2 zu L1 zum Prozessor gestaffelt. Bei Prozessoren mit mehreren Kernen wird der L3-Cache im Allgemeinen von allen Verarbeitungskernen gemeinsam genutzt.

L1-Cache

Der L1-Cache ist die erste Cache-Ebene und gleichzeitig die schnellste und kleinste. Jeder Kern innerhalb einer CPU hat seinen eigenen Teil des L1-Cache, der normalerweise nur wenige Kilobyte groß ist. 

Zudem ist der L1-Speicher in zwei Abschnitte unterteilt: L1-Daten-Cache und L1-Anweisungscache. Letzterer enthält die Anweisungen, die vom CPU-Kern verbraucht werden. Ersteres wird genutzt um Daten zu halten, die in den Hauptspeicher (RAM) zurückgeschrieben werden.

Im L1-Cache werden Daten gespeichert, die die CPU gerade verwendet hat oder erwartet, unmittelbar zu verwenden. Wenn die CPU Daten benötigt die sich nicht im L1-Cache befinden, wechselt sie zur nächsten Ebene: L2.

Die besten modernen Intel-Prozessoren wie zum Beispiel der Core i9 13900K verfügen über 80KB L1-Cache pro CPU-Kern, Server-Modelle noch etwas mehr.

L2-Cache

L2-Cache (auch sekundärer Cache genannt) ist viel größer als L1, aber gleichzeitig auch langsamer (höhere Latenz). Beim 13900K bekommt man zum Beispiel 2 MB pro Kern, ergo 25 mal mehr als beim L1-Cache.

Wie der L1-Cache ist der L2-Cache oft exklusiv für jeden einzelnen CPU-Kern verfügbar, aber in einigen CPUs wird er von mehreren Kernen geteilt.

L3-Cache

Der L3-Cache hat eine Besonderheit: Er wird von einigen oder allen Kernen innerhalb der CPU geteilt und ist der größte von allen. Beim 13900K bekommt man satte 36 MB an L3-Cache, das entspricht 18x der Größe des L2-Speichers. Auch der 3D V-Cache von AMDs starkem Ryzen 7 5800X3D ist L3-Cache.

Die Latenz des L3-Cache ist sogar noch schlechter als die von L2, aber ein großer L3-Cache ist wirklich wichtig um zu verhindern, dass die CPU den RAM nach benötigten Daten fragen muss.

Manche CPUs haben sogar einen L4-Cache, aber er fungiert normalerweise als RAM, der sich auf dem CPU-Paket befindet.

Wie funktioniert der CPU-Cache?

CPU-Speicher, RAM und Datenträger sind durch eine Speicher-Hierarchie verbunden: Cache oben, RAM in der Mitte und permanenter Speicher unten. 

Dieser abgestufte Ansatz ermöglicht es, dass kritische Daten für die CPU näher am Prozessor liegen, wodurch die Latenz verringert wird und euer PC schneller arbeitet. Folgendes Schaubild zeigt den Prozess vereinfacht.

Wie wir oben bereits festgehalten haben, hat der CPU-Cache seine eigene Hierarchie mit verschiedenen Funktionen.

Wenn die CPU Daten benötigt, durchsucht sie zunächst den L1-Cache des zugehörigen Kerns. Sollte sie dort nicht fündig werden, werden als nächstes die L2- und L3-Caches durchsucht.

Wenn die erforderlichen Daten gefunden werden, spricht man von einem Cache-Hit. Wenn die Daten andererseits nicht im Cache vorhanden sind muss die CPU anfordern, diese aus dem Arbeitsspeicher oder Datenträger in den Cache zu laden. Dies wird als Cache-Miss bezeichnet, kostet Zeit und wirkt sich negativ auf die Leistung aus.

Im Allgemeinen verbessert sich die Cache-Trefferrate, wenn die Cache-Größe erhöht wird. Dies gilt insbesondere für Spiele und andere latenzempfindliche Arbeitslasten.

Zum Glück sind moderne Prozessoren mittlerweile recht gut darin, die richtigen Daten im Cache abzulegen. Üblicherweise haben sie eine Cache-Trefferquote von über 80%. 

Das heißt, dass eure CPU die meiste Zeit nur das verarbeitet, was sie auch in ihrem Memory-Cache findet. Dadurch muss sie nur selten mit dem langsameren Systemspeicher kommunizieren.

Wie wichtig ist der CPU-Cache fürs Gaming?

Generell gilt: Mehr Cache ist immer vorteilhaft, beim Gaming hängt es jedoch oft vom Spiel ab und bringt meist nichts.

Aber wieviel Cache ist notwendig und wie stark wirkt sich das aufs Gaming aus? Schauen wir uns ein paar Benchmarks an.

In einem recht aktuellen Video hat sich der große englischsprachige Kanal Linus Techtips dieser Frage angenommen.

Verglichen wurde dort der Ryzen 7 5800X3D mit dem i9 12900K (30 MB L3-Cache), i9 12900KS (30 MB), i7 12700K (25 MB) sowie dem Ryzen 5800X (32 MB), wobei ersterer mit seinen 96 MB L3-Cache im Vergleich zu allen anderen (mehr als) die dreifache Menge hat.

Das Ergebnis: 

• F1 2021: Gleichauf mit dem 12900KS, leicht vor den anderen CPUs
• Forza Horizon 4 & Farcry 6: Minimal hinter dem KS, leicht vor den anderen
• Hitman 3: Höhere Durchschnitts-FPS, jedoch niedrigere 5%-Lows
• CS:GO: Trotz hoher CPU-Last hinter allen anderen
• Civ 6: Langsamer als die anderen Prozessoren bei Berechnung der Runden
• Im MS-Flugsimulator konnte das Plus an L3-Cache einen 20-30 FPS Vorsprung rausholen
• Ergo: Die 25 MB L3-Cache des i7 reichen absolut aus und sind kein Nachteil

Zu einem ähnlichen Ergebnis kommt auch der Kollege von Hardware Unboxed. In seiner Analyse vergleicht er die CPUs i9 10900K, 10700K und 10600K mit der gleichen Kernanzahl (bei i9 und i7 werden Kerne deaktiviert).

Passend dazu könnt ihr euch auch direkt noch unsere Analyse zum Thema i5 vs i7 anschauen.

Das Ergebnis:

• Rainbow Six Siege: Die 20MB L3-Cache liegen klar vor den 16MB des i7, welche wiederum vor dem i5 mit 12MB liegt.
• Horizon Zero Dawn & Watch Dogs Legion: Kein Unterschied
• Cyberpunk 2077: Quasi kein FPS-Vorteil
• F1 2020 & Shadow of the Tomb Raider: Kleiner FPS-Vorteil für den größeren Cache

Man sieht auch hier: Für Spiele die weniger CPU-gebunden sind und mit einem modernen Prozessor betrieben werden, bringt mehr CPU-Cache nichts (da man komplett durch die GPU eingeschränkt ist). Und das gilt für die meisten Spiele.

Zudem wurden diese Benchmarks mit einer Highend-GPU (RTX 3090) bei 1080p durchgeführt. Falls ihr eine langsamere Grafikkarte habt und/oder auf höheren Auflösungen zockt, fällt der CPU-Cache noch weniger ins Gewicht.

Fazit: Spielt CPU-Cache eine Rolle?

CPU-Cache ist eine wichtige Komponente im Speicherkreislauf, spielt jedoch bei modernen Prozessoren und im Gaming nur eine untergeordnete Rolle.

Klar, bei manchen Spielen KANN mehr Cache etwas bringen, jedoch nur bei niedrigeren Auflösungen in Kombination mit Highend-GPUs. Zudem sollte eine Kaufentscheidung nicht auf Basis des CPU-Cache getroffen werden.

Berücksichtigt beim Kauf einer CPU den Preis, die Taktraten, die Anzahl der Kerne, die Anzahl der Threads und die Kompatibilität mit eurem Mainboard oder der Grafikkarte.

Es ist zwar hilfreich zu wissen, wie der Cache einer CPU funktioniert. Aber wenn ihr einen aktuellen Prozessor kauft, dann bekommt ihr sowieso die leistungsstärksten Cache-Speicheroptionen mit integriert - wodurch ihr euch darüber eigentlich keine Gedanken machen müsst.

Beschäftigt euch lieber mit dem Thema Kühlung und schaut euch nach einem der besten CPU-Kühler um.