Как работает кэш ЦП и что такое кэш L1, L2 и L3?

Компьютерные процессоры значительно продвинулись вперед за последние годы. Транзисторы с каждым годом становятся все меньше, и прогресс приближается к точке, когда закон Мура становится излишним.

Когда дело доходит до процессоров, важны не только транзисторы и частоты, но и кэш.

Возможно, вы слышали о кэш-памяти, когда обсуждались процессоры (центральные процессоры). Тем не менее, мы не уделяем должного внимания этим номерам кэш-памяти ЦП, и они не являются основным акцентом в рекламе ЦП.

Итак, насколько важен кеш процессора и как он работает?

Что такое кэш-память процессора?

Проще говоря, кэш-память процессора — это просто очень быстрый тип памяти. В первые дни вычислений скорость процессора и скорость памяти были низкими. Однако в 1980-е годы скорость процессоров начала быстро расти. Системная память в то время (ОЗУ) не могла справиться с увеличением скорости ЦП или соответствовать ему, поэтому родился новый тип сверхбыстрой памяти: кэш-память ЦП.

Теперь ваш компьютер имеет несколько типов памяти внутри него.

Первичное хранилище, такое как жесткий диск или твердотельный накопитель, хранит большую часть данных — операционную систему и программы.

Далее у нас есть «оперативная память», широко известная как RAM. Это намного быстрее, чем первичное хранилище, но это только краткосрочный носитель данных. Ваш компьютер и его программы используют оперативную память для хранения часто используемых данных, что помогает выполнять действия на компьютере быстро и удобно.

Наконец, ЦП имеет внутри себя еще более быстрые блоки памяти, известные как кэш-память ЦП.

Память компьютера имеет иерархию, основанную на скорости ее работы. Кэш ЦП стоит на вершине этой иерархии, будучи самым быстрым. Он также находится ближе всего к центральному процессору, поскольку является частью самого процессора. Согласно с Техническая цель«Кэш-память работает в 10–100 раз быстрее, чем ОЗУ, и для ответа на запрос процессора требуется всего несколько наносекунд».

Компьютерная память также бывает разных типов.

Кэш-память — это разновидность статической ОЗУ (SRAM), в то время как обычная системная ОЗУ называется динамической ОЗУ (DRAM). Статическая RAM может хранить данные без необходимости постоянного обновления, в отличие от DRAM, что делает SRAM идеальной для кэш-памяти.

Как работает кэш процессора?

Программы и приложения на вашем компьютере представляют собой набор инструкций, которые процессор интерпретирует и выполняет. Когда вы запускаете программу, инструкции перемещаются из основного хранилища (вашего жесткого диска) в ЦП. Здесь в игру вступает иерархия памяти.

Данные сначала загружаются в ОЗУ, а затем отправляются в ЦП. Процессоры способны выполнять гигантское количество инструкций в секунду. Чтобы в полной мере использовать свою мощность, процессору необходим доступ к сверхбыстрой памяти, где вступает в действие кэш-память процессора.

Контроллер памяти берет данные из ОЗУ и отправляет их в кэш ЦП. В зависимости от вашего ЦП, контроллер находится на ЦП или наборе микросхем северного моста на материнской плате.

Кэш-память затем выполняет обмен данными внутри ЦП. Иерархия памяти существует и в кеше ЦП.

Уровни кэш-памяти ЦП: L1, L2 и L3

Кэш-память ЦП делится на три «уровня»: L1, L2 и L3. Иерархия памяти снова соответствует скорости и, следовательно, размеру кеша.

Итак, влияет ли размер кэша процессора на производительность?

Кэш L1

Кэш L1 (уровня 1) — это самая быстрая память, которая присутствует в компьютерной системе. С точки зрения приоритета доступа, кэш L1 содержит данные, которые, скорее всего, потребуются ЦП при выполнении определенной задачи.

Размер кэша L1 зависит от процессора. Некоторые топовые потребительские процессоры теперь имеют кэш-память L1 объемом 1 МБ, например Intel i9-9980XE, но они стоят огромных денег, и их по-прежнему мало. Некоторые серверные наборы микросхем, такие как линейка Intel Xeon, также имеют кэш-память L1 объемом 1–2 МБ.

Не существует «стандартного» размера кэш-памяти L1, поэтому вы должны проверить спецификации ЦП, чтобы определить точный размер кэш-памяти L1 перед покупкой.

Кэш L1 обычно делится на две части: кеш инструкций и кеш данных. Кэш инструкций имеет дело с информацией об операции, которую должен выполнить ЦП, а кеш данных содержит данные, над которыми должна быть выполнена операция.

Кэш L2

Кэш L2 (уровень 2) медленнее, чем кеш L1, но больше по размеру. В то время как кэш L1 может измеряться в килобайтах, современные кэши памяти L2 измеряются в мегабайтах. Например, высоко оцененный AMD Ryzen 5 5600X имеет кэш-память L1 объемом 384 КБ и кэш-память L2 объемом 3 МБ (плюс кэш-память L3 объемом 32 МБ).

Размер кэша L2 зависит от процессора, но обычно его размер составляет от 256 КБ до 32 МБ. Большинство современных процессоров имеют кэш-память L2 объемом более 256 КБ, и этот размер сейчас считается небольшим. Кроме того, некоторые из самых мощных современных ЦП имеют больший кэш-память L2, значительно превышающий 8 МБ. Например,

Когда дело доходит до скорости, кеш L2 отстает от кеша L1, но все же намного быстрее, чем оперативная память вашей системы. Кэш памяти L1 обычно в 100 раз быстрее вашей оперативной памяти, а кеш L2 примерно в 25 раз быстрее.

Кэш L3

В кэш L3 (уровень 3). В первые дни кэш памяти L3 действительно находился на материнской плате. Это было очень давно, когда большинство процессоров были одноядерными. Теперь кэш-память L3 в вашем ЦП может быть огромной: топовые потребительские ЦП имеют кэш-память L3 до 32 МБ, а революционные процессоры AMD Ryzen 7 5800X3D имеют кэш-память L3 96 МБ. Кэш-память третьего уровня ЦП некоторых серверов может превышать это значение, достигая 128 МБ.

Кэш L3 является самым большим, но и самым медленным блоком кэш-памяти. Современные ЦП включают кэш L3 на самом ЦП. Но в то время как кэш L1 и L2 существуют для каждого ядра на самом чипе, кэш L3 больше похож на общий пул памяти, который может использовать весь чип.

На следующих изображениях показаны уровни кэш-памяти ЦП для ЦП Intel Core i5-3570K, выпущенного в 2012 г., и ЦП AMD Ryzen 5800X, выпущенного восемью годами позже, в 2020 г. Данные кэш-памяти ЦП находятся в правом нижнем углу второго изображения.

Обратите внимание, как кэш L1 разделен на две части, а L2 и L3 соответственно больше на обоих процессорах? Тем не менее, у AMD Ryzen 5800X кэш L3 более чем в пять раз больше, чем у Intel i5-3570K.

Сколько мне нужно кэш-памяти процессора?

Это хороший вопрос. Чем больше, тем лучше, как и следовало ожидать. Последние процессоры, естественно, будут включать в себя больше кэш-памяти ЦП, чем старые поколения, а также потенциально более быструю кэш-память. Одна вещь, которую вы можете сделать, это научиться эффективно сравнивать процессоры. Существует много информации, и изучение того, как сравнивать и сопоставлять различные процессоры, может помочь вам принять правильное решение о покупке.

Конструкция кэш-памяти постоянно развивается, особенно по мере того, как память становится дешевле, быстрее и плотнее. Например, одной из самых последних инноваций AMD является Smart Access Memory и Infinity Cache, которые повышают производительность.

Как данные перемещаются между кэшами памяти ЦП?

Большой вопрос: как работает кэш-память процессора?

Проще говоря, данные передаются из ОЗУ в кэш L3, затем в L2 и, наконец, в L1. Когда процессор ищет данные для выполнения операции, он сначала пытается найти их в кэше L1. Если ЦП находит его, это называется попаданием в кэш. Затем он продолжает находить его в L2, а затем в L3.

Если ЦП не находит данные ни в одном из кэшей памяти, он пытается получить к ним доступ из вашей системной памяти (ОЗУ). Когда это происходит, это называется промахом кеша.

Теперь, как мы знаем, кеш предназначен для ускорения обмена информацией между основной памятью и процессором. Время, необходимое для доступа к данным из памяти, называется «задержкой».

Кэш-память L1 имеет самую низкую задержку, будучи самой быстрой и ближайшей к ядру, а L3 — самой высокой. Задержка кэша памяти увеличивается, когда происходит промах кэша, поскольку ЦП должен извлекать данные из системной памяти.

Задержка продолжает уменьшаться по мере того, как компьютеры становятся быстрее и эффективнее. Оперативная память DDR4 и DDR5 с малой задержкой и сверхбыстрые твердотельные накопители сокращают задержку, делая всю вашу систему быстрее, чем когда-либо. При этом скорость вашей системной памяти также важна.

Объяснение скорости кэш-памяти процессора

Размер и скорость кэш-памяти ЦП важны для общей работы вашего компьютера. Как и в случае с большинством проблем, связанных с компьютерным оборудованием, чем больше, тем лучше, а быстрее всегда является разумным выбором.

Тем не менее, вы не должны позволять кешу процессора становиться окончательным решающим вариантом, когда дело доходит до покупки нового процессора. Конечно, чем больше и быстрее, тем лучше, но вам также необходимо учитывать другие важные факторы производительности ЦП, такие как количество ядер, тактовая частота ЦП и т. д.