Jak działa pamięć podręczna procesora i czym jest pamięć podręczna L1, L2 i L3?

Procesory komputerowe znacznie się rozwinęły w ostatnich latach. Tranzystory stają się mniejsze z każdym rokiem, a postępy osiągają punkt, w którym prawo Moore’a staje się zbędne.

Jeśli chodzi o procesory, liczą się nie tylko tranzystory i częstotliwości, ale także pamięć podręczna.

Być może słyszałeś o pamięci podręcznej, gdy omawiane są procesory (jednostki centralne). Jednak nie zwracamy wystarczającej uwagi na te numery pamięci podręcznej procesora, ani nie są one główną atrakcją reklam procesorów.

Więc dokładnie, jak ważna jest pamięć podręczna procesora i jak to działa?

Co to jest pamięć podręczna procesora?

Mówiąc prościej, pamięć podręczna procesora to po prostu bardzo szybki typ pamięci. We wczesnych latach komputerów szybkość procesora i pamięć były niskie. Jednak w latach 80. szybkość procesorów zaczęła gwałtownie rosnąć. Ówczesna pamięć systemowa (RAM) nie była w stanie sprostać rosnącym prędkościom procesora, więc narodził się nowy typ ultraszybkiej pamięci: pamięć podręczna procesora.

Teraz twój komputer ma w sobie wiele rodzajów pamięci.

Podstawowa pamięć masowa, taka jak dysk twardy lub dysk SSD, przechowuje większość danych — system operacyjny i programy.

Następnie mamy „pamięć o dostępie swobodnym”, powszechnie znaną jako pamięć RAM. Jest to znacznie szybsze niż pamięć podstawowa, ale jest to tylko krótkotrwały nośnik pamięci. Twój komputer i jego programy używają pamięci RAM do przechowywania często używanych danych, pomagając w wykonywaniu działań na komputerze w sposób przyjemny i szybki.

Wreszcie, procesor ma w sobie jeszcze szybsze jednostki pamięci, znane jako pamięć podręczna procesora.

Pamięć komputera ma hierarchię opartą na szybkości działania. Pamięć podręczna procesora znajduje się na szczycie tej hierarchii i jest najszybsza. Jest również najbliżej miejsca, w którym odbywa się centralne przetwarzanie, będąc częścią samego procesora. Według Tech Target „Pamięć podręczna działa od 10 do 100 razy szybciej niż pamięć RAM, a odpowiedź na żądanie procesora wymaga zaledwie kilku nanosekund”.

Pamięć komputera również występuje w różnych typach.

Pamięć podręczna jest formą statycznej pamięci RAM (SRAM), podczas gdy zwykła systemowa pamięć RAM jest znana jako dynamiczna pamięć RAM (DRAM). Statyczna pamięć RAM może przechowywać dane bez konieczności ciągłego odświeżania, w przeciwieństwie do pamięci DRAM, co sprawia, że ​​pamięć SRAM jest idealna do pamięci podręcznej.

Jak działa pamięć podręczna procesora?

Programy i aplikacje na twoim komputerze są zaprojektowane jako zestaw instrukcji, które procesor interpretuje i uruchamia. Kiedy uruchamiasz program, instrukcje przechodzą z pamięci podstawowej (twojego dysku twardego) do procesora. Tutaj wchodzi w grę hierarchia pamięci.

Dane są najpierw ładowane do pamięci RAM, a następnie przesyłane do procesora. Procesory są w stanie wykonać gigantyczną liczbę instrukcji na sekundę. Aby w pełni wykorzystać swoją moc, procesor potrzebuje dostępu do superszybkiej pamięci, w której pojawia się pamięć podręczna procesora.

Kontroler pamięci pobiera dane z pamięci RAM i wysyła je do pamięci podręcznej procesora. W zależności od procesora kontroler znajduje się na procesorze lub chipsecie mostka północnego na płycie głównej.

Następnie pamięć podręczna wykonuje tam i z powrotem dane w procesorze. Hierarchia pamięci istnieje również w pamięci podręcznej procesora.

Poziomy pamięci podręcznej procesora: L1, L2 i L3

Pamięć podręczna procesora jest podzielona na trzy „poziomy”: L1, L2 i L3. Hierarchia pamięci jest ponownie zgodna z szybkością, a tym samym rozmiarem pamięci podręcznej.

Czy rozmiar pamięci podręcznej procesora ma wpływ na wydajność?

Pamięć podręczna L1

Pamięć podręczna L1 (poziomu 1) jest najszybszą pamięcią obecną w systemie komputerowym. Jeśli chodzi o priorytet dostępu, pamięć podręczna L1 zawiera dane, których procesor najprawdopodobniej będzie potrzebował podczas wykonywania określonego zadania.

Rozmiar pamięci podręcznej L1 zależy od procesora. Niektóre procesory konsumenckie z najwyższej półki są teraz wyposażone w 1 MB pamięci podręcznej L1, na przykład Intel i9-9980XE, ale kosztują one ogromne pieniądze i wciąż są bardzo nieliczne. Niektóre chipsety serwerowe, takie jak seria Intel Xeon, są również wyposażone w pamięć podręczną L1 o pojemności 1-2 MB.

Nie ma „standardowego” rozmiaru pamięci podręcznej L1, więc przed zakupem należy sprawdzić specyfikację procesora, aby określić dokładny rozmiar pamięci podręcznej L1.

Pamięć podręczna L1 jest zwykle podzielona na dwie sekcje: pamięć podręczną instrukcji i pamięć podręczną danych. Pamięć podręczna instrukcji zajmuje się informacjami o operacji, którą musi wykonać procesor, podczas gdy pamięć podręczna danych przechowuje dane, na których operacja ma zostać wykonana.

Pamięć podręczna L2

Pamięć podręczna L2 (poziom 2) jest wolniejsza niż pamięć podręczna L1, ale ma większy rozmiar. Tam, gdzie pamięć podręczna L1 może mierzyć w kilobajtach, nowoczesne pamięci podręczne L2 mierzą w megabajtach. Na przykład wysoko oceniany AMD Ryzen 5 5600X ma 384 KB pamięci podręcznej L1 i 3 MB pamięci podręcznej L2 (plus 32 MB pamięci podręcznej L3).

Rozmiar pamięci podręcznej L2 różni się w zależności od procesora, ale zwykle wynosi od 256 KB do 32 MB. Większość nowoczesnych procesorów ma więcej niż 256 KB pamięci podręcznej L2, a ten rozmiar jest obecnie uważany za mały. Co więcej, niektóre z najpotężniejszych współczesnych procesorów mają większą pamięć podręczną L2, znacznie przekraczającą 8 MB. Na przykład,

Jeśli chodzi o szybkość, pamięć podręczna L2 pozostaje w tyle za pamięcią podręczną L1, ale nadal jest znacznie szybsza niż systemowa pamięć RAM. Pamięć podręczna L1 jest zwykle 100 razy szybsza niż pamięć RAM, podczas gdy pamięć podręczna L2 jest około 25 razy szybsza.

Pamięć podręczna L3

Do pamięci podręcznej L3 (poziom 3). Na początku pamięć podręczna L3 faktycznie znajdowała się na płycie głównej. To było bardzo dawno temu, kiedy większość procesorów była tylko procesorami jednordzeniowymi. Teraz pamięć podręczna L3 w twoim procesorze może być ogromna, z najwyższej klasy procesorami konsumenckimi wyposażonymi w pamięć podręczną L3 do 32 MB, podczas gdy rewolucyjne procesory AMD Ryzen 7 5800X3D są wyposażone w 96 MB pamięci podręcznej L3. Niektóre pamięci podręczne L3 procesora serwera mogą przekraczać ten limit i mieć do 128 MB.

Pamięć podręczna L3 jest największą, ale także najwolniejszą jednostką pamięci podręcznej. Nowoczesne procesory zawierają pamięć podręczną L3 na samym procesorze. Ale podczas gdy pamięć podręczna L1 i L2 istnieje dla każdego rdzenia w samym chipie, pamięć podręczna L3 jest bardziej zbliżona do ogólnej puli pamięci, z której może korzystać cały układ.

Poniższe obrazy przedstawiają poziomy pamięci podręcznej procesora dla procesora Intel Core i5-3570K wprowadzonego na rynek w 2012 r. oraz procesora AMD Ryzen 5800X wprowadzonego na rynek osiem lat później, w 2020 r. Dane pamięci podręcznej procesora znajdują się w prawym dolnym rogu drugiego obrazu.

Zauważ, jak pamięć podręczna L1 jest podzielona na dwie części, podczas gdy L2 i L3 są odpowiednio większe na obu procesorach? Jednak na AMD Ryzen 5800X pamięć podręczna L3 jest ponad pięć razy większa niż Intel i5-3570K.

Ile pamięci podręcznej procesora potrzebuję?

To dobre pytanie. Więcej znaczy lepiej, jak można się spodziewać. Najnowsze procesory będą oczywiście zawierać więcej pamięci podręcznej procesora niż starsze generacje, z potencjalnie szybszą pamięcią podręczną. Jedną rzeczą, którą możesz zrobić, to nauczyć się, jak skutecznie porównywać procesory. Istnieje wiele informacji, a nauka porównywania różnych procesorów może pomóc w podjęciu właściwej decyzji o zakupie.

Projekt pamięci podręcznej stale ewoluuje, zwłaszcza że pamięć staje się tańsza, szybsza i gęstsza. Na przykład jedną z najnowszych innowacji AMD jest pamięć Smart Access Memory i Infinity Cache, które zwiększają wydajność.

Jak dane przenoszą się między pamięciami podręcznymi procesora?

Wielkie pytanie: jak działa pamięć podręczna procesora?

Mówiąc najprościej, dane przepływają z pamięci RAM do pamięci podręcznej L3, następnie do L2, a na końcu do L1. Kiedy procesor szuka danych do wykonania operacji, najpierw próbuje je znaleźć w pamięci podręcznej L1. Jeśli procesor go znajdzie, stan ten nazywa się trafieniem w pamięci podręcznej. Następnie przechodzi do znalezienia go w L2, a następnie w L3.

Jeśli procesor nie znajdzie danych w żadnej pamięci podręcznej, próbuje uzyskać do nich dostęp z pamięci systemowej (RAM). Kiedy tak się dzieje, jest to znane jako chybienie pamięci podręcznej.

Jak wiemy, pamięć podręczna ma na celu przyspieszenie wymiany informacji między pamięcią główną a procesorem. Czas potrzebny do uzyskania dostępu do danych z pamięci nazywany jest „opóźnieniem”.

Pamięć podręczna L1 ma najmniejsze opóźnienie, jest najszybsza i najbliżej rdzenia, a L3 ma największe. Opóźnienie pamięci podręcznej zwiększa się, gdy brakuje pamięci podręcznej, ponieważ procesor musi pobrać dane z pamięci systemowej.

Opóźnienia stale się zmniejszają, ponieważ komputery stają się szybsze i bardziej wydajne. Pamięć RAM DDR4 i DDR5 o niskich opóźnieniach oraz superszybkie dyski SSD zmniejszają opóźnienia, dzięki czemu cały system jest szybszy niż kiedykolwiek. W tym przypadku ważna jest również szybkość pamięci systemowej.

Wyjaśnienie szybkości pamięci podręcznej procesora

Rozmiar i szybkość pamięci podręcznej procesora są ważne dla ogólnego działania komputera. Podobnie jak w przypadku większości problemów związanych ze sprzętem komputerowym, więcej znaczy lepiej, a szybszy jest zawsze mądrym wyborem.

Jednak nie powinieneś pozwolić, aby pamięć podręczna procesora stała się ostateczną opcją decydującą o zakupie nowego procesora. Jasne, im więcej i szybciej, tym lepiej, ale należy również wziąć pod uwagę inne ważne czynniki wydajności procesora, takie jak liczba rdzeni, szybkość zegara procesora i tak dalej.