Jak CPU Cache funguje a co jsou L1, L2 a L3?

Počítačové procesory za poslední roky docela pokročily, velikost tranzistorů se každým rokem zmenšuje a pokroky zasáhly bod, kdy Mooreův zákon rychle přestal být nadbytečný.

Pokud jde o procesory, počítají se nejen tranzistory a frekvence, ale také mezipaměť.

Možná jste slyšeli o mezipaměti, když se diskutuje o procesorech (centrálních procesorových jednotkách). Těmto číslům však nevěnujeme příliš mnoho pozornosti a nejsou ani primárním vrcholem reklam těchto procesorů.

Přesně tak důležitá je mezipaměť CPU a jak to funguje?

Co je mezipaměť CPU?

Jednoduše řečeno, mezipaměť je jen opravdu rychlý typ paměti. Jak možná víte, počítač má v sobě několik typů paměti. Existuje primární úložiště, například pevný disk nebo SSD, které ukládá většinu dat - operační systém a všechny programy..

Dále máme paměť s náhodným přístupem, běžně známou jako RAM. Toto je mnohem rychlejší než primární úložiště.

A konečně, CPU má ještě rychlejší paměťové jednotky uvnitř sebe, které známe jako cache.

Paměť v počítači má hierarchii založenou na rychlosti a mezipaměť stojí v horní části této hierarchie a je nejrychlejší. Je také nejblíže místu, kde dochází k centrálnímu zpracování a je součástí samotného CPU.

Mezipaměť je statická RAM (SRAM), ve srovnání se systémovou RAM, což je dynamická RAM (DRAM). Statická RAM je ta, která dokáže uchovávat data bez nutnosti neustálého obnovování, na rozdíl od DRAM, díky čemuž je SRAM ideální pro použití v mezipaměti.

Jak funguje mezipaměť CPU?

Jak již možná víte, program je navržen jako sada instrukcí, které má procesor spouštět. Při spuštění programu se tyto pokyny musí dostat z primárního úložiště do procesoru. Zde přichází do hry hierarchie paměti.

Data se nejprve načtou do paměti RAM a poté se odešlou do procesoru. CPU v těchto dnech jsou schopny provádět obrovské množství instrukcí za sekundu. Aby bylo možné plně využít jeho napájení, potřebuje CPU přístup k superrychlé paměti. Zde přichází mezipaměť.

Řadič paměti provádí úlohu převzetí dat z paměti RAM a jejich odeslání do mezipaměti. V závislosti na tom, který CPU je ve vašem systému, může být tento řadič buď na čipové sadě North Bridge na základní desce nebo uvnitř samotného CPU..

Mezipaměť potom provádí zpět a dopředu data v CPU. V mezipaměti existuje také hierarchie paměti.

(Pokud vás zajímá, jak funguje samotný procesor, podívejte se do našeho článku vysvětlujícího základy CPU Co je CPU a co dělá? Co je CPU a co dělá? Výpočtové zkratky jsou matoucí. Co je CPU stejně? A potřebuji čtyřjádrový nebo dvoujádrový procesor? A co AMD nebo Intel? Jsme tu, abychom vysvětlili rozdíl!)

Úrovně mezipaměti: L1, L2 a L3

Mezipaměť CPU je rozdělena do tří hlavních „úrovní“, L1, L2 a L3. Hierarchie je zde opět podle rychlosti a tedy velikosti mezipaměti.

Mezipaměť L1 (úroveň 1) je nejrychlejší pamětí, která je přítomna v počítačovém systému. Pokud jde o prioritu přístupu, mezipaměť L1 obsahuje data, která CPU s největší pravděpodobností potřebuje při dokončení určité úlohy.

Pokud jde o velikost, mezipaměť L1 obvykle dosahuje až 256 kB. Některé skutečně výkonné procesory se však nyní blíží 1 MB. Některé serverové čipové sady (jako špičkové procesory Xeon Intel) nyní mají někde mezi 1-2 MB mezipaměti L1.

Mezipaměť L1 je také obvykle rozdělena dvěma způsoby, do instrukční mezipaměti a datové mezipaměti. Instrukční mezipaměť pojednává o informacích o operaci, kterou musí CPU provést, zatímco datová mezipaměť obsahuje data, na kterých má být operace provedena..

Image Credit: Intel

Mezipaměť L2 (úroveň 2) je pomalejší než mezipaměť L1, ale větší. Jeho velikost se obvykle pohybuje mezi 256 kB až 8 MB, i když novější, výkonné procesory to mají tendenci překonat. Mezipaměť L2 uchovává data, která budou pravděpodobně přistupovat CPU příští. Ve většině moderních procesorů jsou mezipaměti L1 a L2 přítomny na samotných jádrech CPU, přičemž každé jádro získává svou vlastní mezipaměť.

Mezipaměť L3 (úroveň 3) je největší a nejpomalejší mezipaměť. Může se pohybovat od 4 MB do 50 MB. Moderní procesory mají vyhrazený prostor na čipu CPU pro mezipaměť L3 a zabírá velký kus prostoru.

Cache Hit or Miss a Latency

Data teče z RAM do L3 cache, pak L2 a nakonec L1. Když procesor hledá data k provedení operace, nejprve se ji pokusí najít v mezipaměti L1. Pokud je CPU schopen najít, podmínka se nazývá přístup do mezipaměti. Poté pokračuje v nalezení v L2 a poté v L3.

Pokud data nenajde, pokusí se o ně získat přístup z hlavní paměti. Tomu se říká miss cache.

Nyní, jak víme, je mezipaměť navržena tak, aby zrychlovala dozadu a dopředu informace mezi hlavní pamětí a CPU. Čas potřebný pro přístup k datům z paměti se nazývá latence. L1 má nejnižší latenci, je nejrychlejší a nejblíže k jádru a L3 má nejvyšší. Latence se zvyšuje, když chybí mezipaměť. Důvodem je, že procesor musí získat data z hlavní paměti.

Jak se počítače zrychlují a zlepšují, zaznamenáváme pokles latence. Nyní máme DDR4 RAM s nízkou latencí a super rychlé SSD disky s nízkým přístupovým časem jako primární úložiště, které obě významně snižují celkovou latenci. Pokud se chcete dozvědět více o tom, jak RAM funguje, zde je náš rychlý a špinavý průvodce RAM. Rychlý a špinavý průvodce RAM: Co potřebujete vědět Rychlý a špinavý průvodce RAM: Co potřebujete vědět RAM je zásadní součást každého počítače, ale může to být matoucí. Rozdělujeme to podle snadno pochopitelných podmínek, kterým rozumíte. .

Dříve, návrhy mezipaměti měly mezipaměti L2 a L3 mimo CPU, což mělo negativní vliv na latenci.

Pokroky ve výrobních procesech týkajících se tranzistorů CPU však umožnily umístit miliardy tranzistorů na menší prostor než dříve. Výsledkem je, že je více prostoru pro mezipaměť, což umožňuje, aby mezipaměť byla co nejblíže jádru, což výrazně snižuje latenci.

Budoucnost mezipaměti

Design mezipaměti se neustále vyvíjí, zejména když se paměť stává levnější, rychlejší a hustší. Společnosti Intel a AMD měly spravedlivý podíl na experimentování s návrhy mezipaměti, zatímco společnost Intel dokonce experimentovala s mezipamětí L4. Trh CPU se pohybuje vpřed rychleji než kdykoli předtím.

S tím jsme povinni vidět, jak design mezipaměti drží krok s neustále rostoucí silou CPU.

Kromě toho se toho hodně děje s cílem omezit úzká místa, která moderní počítače mají. Snížení latence paměti je možná její největší součástí. Odvětví pracuje na řešeních stejných a budoucnost vypadá opravdu slibně.

Možná jste už slyšeli o Intel Optane, který lze použít jako hybridní externí mezipaměť. Pokud tak neučiníte, prohlédněte si náš článek zkoumající potenciální aplikace Intel Optane. Je Intel Optane Memory levná DDR3 RAM? Je Intel Optane Memory Levné DDR3 RAM? Zajímá vás, o čem je paměť Intel Optane? Je to levná RAM nebo něco víc? Zde je to, co potřebujete vědět. .