¿Qué es el caché de la CPU y por qué es tan importante para los juegos?

Los 7800X3D y 7950X3D de AMD ocupan el primer lugar en CPU para juegos , no porque tengan la mayor cantidad de núcleos o las velocidades de reloj más altas, sino porque tienen la mayor cantidad de caché. Pero, ¿qué es el caché de la CPU? Es una pequeña cantidad de memoria súper rápida y de acceso rápido integrada en el propio chip, lo que le ayuda a obtener los datos que necesita para las operaciones a una velocidad vertiginosa.

Sin embargo, los retornos no son lineales: hay una razón por la que el 7950X3D no tiene caché adicional en todos sus núcleos. De hecho, tener mucho caché adicional para trabajar tiene algunas desventajas, incluso si ayuda a mejorar el rendimiento de los juegos. Aquí encontrará todo lo que necesita saber sobre la memoria caché de la CPU.

¿Qué es el caché de la CPU?

La caché es la cantidad de memoria que se encuentra dentro de la propia CPU , ya sea integrada en núcleos individuales o compartida entre algunos o todos los núcleos. Es una pequeña cantidad de memoria dedicada que reside directamente en el procesador para que su CPU no necesite recuperar información de la RAM de su sistema cada vez que quiera hacer algo en su PC. Cada procesador tiene una pequeña cantidad de caché, y las CPU más pequeñas obtienen quizás sólo unos pocos kilobytes, mientras que las CPU grandes pueden tener muchos megabytes de caché.

Pero, ¿por qué es necesaria la memoria caché si ya contamos con un almacenamiento SSD rápido y una RAM aún más rápida ? Se trata de rendimiento. En la década de 1990, la velocidad de la RAM no seguía el ritmo de las necesidades de la CPU, lo que presentaba un problema para los diseñadores de CPU. La solución fue agregar caché local a los propios chips.

Aunque la memoria caché tiene una capacidad limitada en comparación con la RAM, su alta velocidad lo compensa. El único inconveniente es que es caro empaquetar memoria en un chip pequeño, por lo que normalmente no se utiliza en grandes cantidades. Sin embargo, con 3D V-Cache, AMD encontró una manera de hacerlo funcionar y ahora tenemos chips de juegos de mayor rendimiento para demostrarlo.

¿Cómo funciona el caché? L1, L2, L3 explicado

La adopción generalizada del caché resultó en implementaciones más matizadas de caché y RAM hasta que terminamos con la jerarquía de memoria, con el caché en la parte superior, la RAM en el medio y el almacenamiento en la parte inferior. Este enfoque por niveles permite que los datos críticos para la CPU estén físicamente más cerca del procesador, lo que reduce la latencia y ayuda a que su PC se sienta ágil.

La caché tiene su propia jerarquía, o niveles de caché, que se dividen en caché L1, L2 y L3. Estos son todo tipo de cachés, pero realizan funciones ligeramente diferentes.

La caché L1 es el primer nivel de caché y también el más pequeño, generalmente dividido en instrucción L1 o L1i y datos L1 o L1d. Cada núcleo dentro de una CPU tiene su porción exclusiva de caché L1, que generalmente tiene solo unos pocos kilobytes de tamaño. El tipo de datos almacenados en la caché L1 son cosas que la CPU acaba de usar o espera usar de manera inminente. Si la CPU necesita datos que no están en la caché L1, pasa al siguiente nivel: L2.

Al igual que la caché L1, la caché L2 suele ser exclusiva de un único núcleo de CPU, pero en algunas CPU se comparte entre varios núcleos. También es mucho, mucho más grande; por ejemplo, cada núcleo P del Core i9-12900K tiene 80 kilobytes de caché L1, así como 1,25 megabytes de caché L2, casi 16 veces más. Sin embargo, las cachés más grandes tienen una mayor latencia, lo que significa que se necesita más tiempo para que se produzca la comunicación entre el núcleo de la CPU y la caché. Cuando las CPU quieren lograr cosas en cuestión de microsegundos o incluso nanosegundos, la latencia ligeramente mayor de la caché L2 sí importa. Si una CPU no puede encontrar los datos solicitados dentro de la caché L2, pregunta al siguiente nivel: L3.

La caché L3 es muy importante: se comparte entre algunos o todos los núcleos dentro de una CPU, y es grande. El 7950X3D, por ejemplo, tiene 128 MB de caché L3 con su 3D V-Cache incorporado, mientras que sólo tiene 16 MB de caché L2. La latencia de la caché L3 es incluso peor que la de la L2, pero tener una caché L3 grande es realmente importante para evitar que la CPU necesite solicitar a la RAM los datos necesarios. Excepto por el almacenamiento, la RAM tiene la peor velocidad y latencia en la jerarquía de la memoria, y cada vez que la CPU necesita acceder a la RAM para obtener los datos requeridos, las cosas pueden detenerse.

Algunas CPU incluso tienen caché L4, pero generalmente funciona como RAM que se encuentra en el paquete de la CPU. Algunas de las primeras CPU de 14 nm de Intel basadas en la arquitectura Broadwell incluían 128 MB de DRAM integrada, y las CPU del servidor Sapphire Rapids de la compañía pueden venir con HBM2, que se usa como un nivel adicional de caché.

¿Importa el caché de la CPU para los juegos?

La memoria caché de la CPU marca una gran diferencia en los juegos. Aunque tradicionalmente se ha dicho que el rendimiento de un solo subproceso, las instrucciones por reloj (IPC) y la velocidad del reloj son los factores más importantes en el rendimiento de los juegos, ha quedado muy claro que el caché es probablemente el factor más importante de todos en la rivalidad entre AMD y Intel .

El caché es muy importante para los juegos debido a cómo se diseñan los juegos hoy en día. Los juegos modernos tienen mucha aleatoriedad, lo que significa que la CPU necesita ejecutar constantemente instrucciones simples. Sin suficiente caché, su tarjeta gráfica se ve obligada a esperar en su CPU mientras las instrucciones se acumulan y provocan un cuello de botella . Puedes ver un ejemplo de la diferencia que esto supone con la tecnología 3D V-Cache de AMD en el gráfico de rendimiento de la CPU en los juegos a continuación.

Hemos visto una tendencia hacia más caché para juegos en los últimos años. AMD ha estado aumentando la cantidad de caché de su CPU durante años y la ha duplicado con su tecnología 3D V-Cache en el Ryzen 7 5800X3D y sus sucesores en la generación Ryzen 7000.

Intel ha estado tratando de ponerse al día con AMD y sus CPU de última generación tienen más caché que nunca, lo que les ayuda a seguir siendo competitivos en los juegos. Parece probable que las cantidades de caché sigan aumentando en los próximos años, lo que aumentará aún más los límites de rendimiento de los juegos.