Der CPU-Cache ist ein zusätzlicher Speicher auf dem Prozessor. Mit ihm sollen die Zugriffszeiten auf Daten verkürzt werden. Man bezeichnet diesen CPU-Cache auch als eine Art Zwischenspeicher, der in Schnelligkeit und Größe variieren kann.

Man unterscheidet in der Regel nach L1-Cache (First-Level- Cache), L2-Cache (Second-Level-Cache) und L3-Cache (Third- Level-Cache).

Der L1-Cache ist der schnellste, aber auch kleinste Zwischenspeicher. Etwas langsamer, aber dafür größer ist der L2-Cache. Der langsamste, aber auch größte Zwischenspeicher ist der L3-Cache.

Alle drei Cache-Level sollen den Arbeitsspeicher entlasten und der CPU einen schnellen Zugriff auf Daten und Befehle ermöglichen.

CPU-Cache Hierarchie CPU-Cache Stufen L1, L2, L3 mit Geschwindigkeit und Größe im Vergleich zu RAM und Festplatte 🖥 CPU-Chip Kern 1 L1-Cache 32–64 KB · ~1 ns L2-Cache 256 KB–1 MB · ~5 ns Kern 2 L1-Cache 32–64 KB · ~1 ns L2-Cache 256 KB–1 MB · ~5 ns L3-Cache – geteilt von allen Kernen – 8–64 MB · ~20 ns RAM 8–64 GB · ~60–100 ns SSD / HDD TB · Mikro- bis Millisekunden Geschwindigkeit 🟢 L1: schnellster 🔵 L2: schnell 🟣 L3: mittel 🟡 RAM → 🔴 SSD: langsam

Warum braucht die CPU einen Cache?

Die CPU arbeitet in Nanosekunden – der RAM ist aber ca. 60× langsamer. Ohne Cache müsste die CPU bei jedem Befehl warten. Der Cache löst dieses Problem durch Vorhalten häufig genutzter Daten direkt im Prozessor.

Die drei Cache-Stufen:

Funktionsprinzip:

Die CPU sucht Daten immer zuerst im L1 → wenn nicht gefunden im L2 → dann L3 → dann RAM → dann Festplatte. Dieses Suchen nennt sich Cache-Hit (gefunden) oder Cache-Miss (nicht gefunden, nächste Stufe wird gefragt).
Prüfungs-Merksatz: Cache = Notizzettel der CPU – häufig gebrauchte Daten griffbereit, damit die CPU nicht auf den langsamen RAM warten muss. L1 = kleinster & schnellster, L3 = größter & geteilt.