В чем разница между оперативной памятью и кэш-памятью?

Если вы энтузиаст технологий, возможно, вы слышали о кэшах и о том, как они работают с оперативной памятью в вашей системе, чтобы сделать ее быстрее. Но задумывались ли вы когда-нибудь, что такое кэш и чем он отличается от оперативной памяти?

Что ж, если у вас есть, вы находитесь в правильном месте, потому что мы рассмотрим все, что отличает кэш-память от оперативной памяти.

Познакомьтесь с системами памяти на вашем компьютере

Прежде чем мы начнем сравнивать оперативную память с кешем, важно понять, как устроена система памяти на компьютере.

Видите ли, и ОЗУ, и кэш-память являются энергозависимыми системами хранения данных. Это означает, что обе эти СХД могут временно хранить данные и работать только при подаче на них питания. Поэтому при выключении компьютера все данные, хранящиеся в оперативной памяти и кэше, удаляются.

По этой причине любое вычислительное устройство имеет два разных типа систем хранения, а именно первичную и вторичную память. Диски являются вторичной памятью в компьютерной системе, где вы сохраняете свои файлы, способные хранить данные при отключении питания. С другой стороны, первичные системы памяти передают данные в ЦП при включении.

Но зачем на компьютере система памяти, которая не может хранить данные, когда она выключена? Что ж, есть веская причина, по которой первичные системы хранения являются наиболее важными для компьютера.

Видите ли, хотя первичная память в вашей системе не способна хранить данные при отсутствии питания, она намного быстрее по сравнению с вторичными системами хранения. Что касается чисел, вторичные системы хранения, такие как SSD, имеют время доступа 50 микросекунд.

Напротив, системы с первичной памятью, такие как оперативная память, могут передавать данные в ЦП каждые 17 наносекунд. Таким образом, первичные системы памяти почти в 3000 раз быстрее по сравнению с вторичными системами хранения.

Из-за этой разницы в скоростях компьютерные системы имеют иерархию памяти, которая позволяет доставлять данные в ЦП с удивительно высокой скоростью.

Вот как данные перемещаются по системам памяти в современном компьютере.

• Диски хранения (вторичная память): это устройство может хранить данные постоянно, но не так быстро, как ЦП. Из-за этого ЦП не может получить доступ к данным напрямую из вторичной системы хранения.
• ОЗУ (первичная память): эта система хранения работает быстрее, чем вторичная система хранения, но не может хранить данные постоянно. Поэтому, когда вы открываете файл в своей системе, он перемещается с жесткого диска в оперативную память. Тем не менее, даже оперативной памяти недостаточно для процессора.
• Кэш (основная память). Для решения этой проблемы в ЦП встроен особый тип основной памяти, известный как кеш-память, который является самой быстрой системой памяти на компьютере. Эта система памяти разделена на три части, а именно кэш-память L1, L2 и L3. Таким образом, любые данные, которые должны быть обработаны процессором, перемещаются с жесткого диска в оперативную память, а затем в кэш-память. Тем не менее, ЦП не может получить доступ к данным напрямую из кеша.
• Регистры ЦП (основная память). Регистр ЦП на вычислительном устройстве имеет небольшой размер и основан на архитектуре процессора. Эти регистры могут содержать 32 или 64 бита данных. Как только данные перемещаются в эти регистры, ЦП может получить к ним доступ и выполнить поставленную задачу.

Понимание оперативной памяти и как она работает

Как объяснялось ранее, оперативная память на устройстве отвечает за хранение и передачу данных в ЦП для программ на компьютере. Для хранения этих данных оперативная память использует ячейку динамической памяти (DRAM).

Эта ячейка создается с использованием конденсатора и транзистора. Конденсатор в этом устройстве используется для накопления заряда в зависимости от состояния заряда конденсатора; ячейка памяти может содержать либо 1, либо 0.

Говорят, что если конденсатор полностью заряжен, он хранит 1. С другой стороны, говорят, что когда он разряжен, он хранит 0. Хотя ячейка DRAM способна хранить заряды, эта конструкция памяти имеет свои недостатки.

Видите ли, поскольку ОЗУ использует конденсаторы для хранения заряда, она имеет тенденцию терять накопленный в ней заряд. Из-за этого данные, хранящиеся в оперативной памяти, могут быть утеряны. Чтобы решить эту проблему, заряд, хранящийся в конденсаторах, обновляется с помощью усилителей считывания, что предотвращает потерю хранимой информации в ОЗУ.

Хотя это обновление заряда позволяет ОЗУ сохранять данные при включении компьютера, оно приводит к задержке в системе, поскольку ОЗУ не может передавать данные в ЦП при обновлении, что замедляет работу системы.

В дополнение к этому ОЗУ подключено к материнской плате, которая, в свою очередь, подключена к ЦП с помощью сокетов. Следовательно, существует значительное расстояние между ОЗУ и ЦП, что увеличивает время доставки данных в ЦП.

По причинам, упомянутым выше, оперативная память поставляет данные в ЦП только каждые 17 наносекунд. При такой скорости процессор не может достичь максимальной производительности. Это связано с тем, что ЦП должен получать данные каждую четверть наносекунды, чтобы обеспечить наилучшую производительность при работе на частоте турбонаддува 4 гигагерца.

Чтобы решить эту проблему, у нас есть кэш-память, еще одна система временного хранения, намного более быстрая, чем оперативная память.

Объяснение кэш-памяти

Теперь, когда мы знаем о предостережениях, связанных с оперативной памятью, мы можем взглянуть на кэш-память и то, как она решает проблему, связанную с оперативной памятью.

Во-первых, на материнской плате нет кэш-памяти. Вместо этого он размещается на самом процессоре. Благодаря этому данные хранятся ближе к центральному процессору, что позволяет ему быстрее получать доступ к данным.

Кроме того, кэш-память не хранит данные для всех программ, запущенных в вашей системе. Вместо этого он хранит только те данные, которые часто запрашиваются ЦП. Из-за этих различий кэш может отправлять данные в ЦП с удивительно высокой скоростью.

Кроме того, по сравнению с оперативной памятью, кэш-память использует статические ячейки (SRAM) для хранения данных. По сравнению с динамическими ячейками статическая память не нуждается в обновлении, поскольку в ней не используются конденсаторы для хранения зарядов.

Вместо этого для хранения информации используется набор из 6 транзисторов. Благодаря использованию транзисторов статическая ячейка не теряет заряд с течением времени, что позволяет кэш-памяти передавать данные в ЦП на гораздо более высоких скоростях.

Тем не менее, кэш-память тоже имеет свои недостатки. Во-первых, это намного дороже по сравнению с оперативной памятью. Кроме того, ячейка статической ОЗУ намного больше по сравнению с DRAM, поскольку для хранения одного бита информации используется набор из 6 транзисторов. Это значительно больше, чем конструкция ячейки DRAM с одним конденсатором.

Из-за этого плотность памяти SRAM намного ниже, и размещение одной SRAM с большим объемом памяти на кристалле ЦП невозможно. Поэтому для решения этой проблемы кэш-память делится на три категории, а именно кэш-память L1, L2 и L3, и размещается внутри и снаружи ЦП.

ОЗУ против кэш-памяти

Теперь, когда у нас есть общее представление об оперативной памяти и кэш-памяти, мы можем посмотреть, как они сравниваются друг с другом.

Метрика сравнения

БАРАН

Кэш

Функция

Хранит программные данные для всех приложений, работающих в системе.

Сохраняет часто используемые данные и инструкции, требуемые ЦП.

Размер

Из-за высокой плотности памяти оперативная память может поставляться в пакетах, которые могут хранить от 2 до 64 гигабайт данных.

Из-за низкой плотности памяти кэш-память хранит данные в диапазоне килобайтов или мегабайтов.

Расходы

Изготовление ОЗУ дешевле из-за конструкции с одним транзистором/конденсатором.

Изготовление кэш-памяти обходится дорого из-за его 6-транзисторной конструкции.

Место расположения

Оперативная память подключена к материнской плате и находится далеко от процессора.

Кэш либо присутствует внутри ядра ЦП, либо распределяется между ядрами.

Скорость

ОЗУ медленнее.

Кэш работает быстрее.

Кэш-память намного быстрее, чем оперативная память

И ОЗУ, и кэш-память являются энергозависимыми системами памяти, но обе выполняют разные задачи. С одной стороны, в ОЗУ хранятся программы, запущенные в вашей системе, а кэш поддерживает ОЗУ, сохраняя часто используемые данные рядом с ЦП, что повышает производительность.

Поэтому, если вы ищете систему с высокой производительностью, важно обратить внимание на оперативную память и кэш-память, с которыми она поставляется. Выдающийся баланс между обеими системами памяти является наиболее важным для получения максимальной отдачи от вашего ПК.