Come funziona la cache della CPU e cosa sono L1, L2 e L3?
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I processori per computer sono progrediti un po 'negli ultimi anni, con le dimensioni dei transistor che si riducono ogni anno e i progressi hanno colpito un punto in cui la Legge di Moore sta rapidamente diventando ridondante.
Quando si tratta di processori, non sono solo i transistor e le frequenze che contano, ma anche la cache.
Potresti aver sentito parlare della memoria cache quando vengono discusse le CPU (Central Processing Unit). Tuttavia, non prestiamo troppa attenzione a questi numeri, né sono davvero il momento clou principale degli annunci pubblicitari di queste CPU.
Quindi, quanto è importante la cache della CPU e come funziona?
Che cos'è la cache della CPU?
Per dirla semplicemente, una cache è solo un tipo di memoria molto veloce. Come forse saprai, un computer ha al suo interno più tipi di memoria. Esiste un archivio primario, come un disco rigido o un SSD, che memorizza la maggior parte dei dati: il sistema operativo e tutti i programmi.
Successivamente, abbiamo la memoria ad accesso casuale, comunemente nota come RAM. Questo è molto più veloce della memoria principale.
Infine, la CPU ha al suo interno unità di memoria ancora più veloci, che conosciamo come cache.
La memoria di un computer ha una gerarchia, basata sulla velocità, e la cache è in cima a questa gerarchia, essendo la più veloce. È anche il più vicino a dove si verifica l'elaborazione centrale, essendo parte della CPU stessa.
La cache è una RAM statica (SRAM), rispetto alla RAM di sistema, che è una RAM dinamica (DRAM). La RAM statica può contenere dati senza che sia necessario aggiornarli costantemente, a differenza della DRAM, il che rende SRAM ideale da utilizzare per la cache.
Come funziona la cache della CPU?
Come forse già saprai, un programma è progettato come un insieme di istruzioni, che deve essere eseguito dalla CPU. Quando si esegue un programma, queste istruzioni devono passare dalla memoria principale alla CPU. Qui entra in gioco la gerarchia della memoria.
I dati vengono prima caricati nella RAM e quindi inviati alla CPU. Oggi le CPU sono in grado di eseguire un numero gigantesco di istruzioni al secondo. Per sfruttare appieno la sua potenza, la CPU deve accedere alla memoria superveloce. Qui entra in gioco la cache.
Il controller di memoria svolge il compito di prelevare i dati dalla RAM e inviarli alla cache. A seconda della CPU presente nel sistema, questo controller può trovarsi sul chipset North Bridge sulla scheda madre o all'interno della CPU stessa.
La cache esegue quindi avanti e indietro i dati all'interno della CPU. La gerarchia della memoria esiste anche nella cache.
(Se sei interessato a sapere come funziona la CPU stessa, consulta il nostro articolo che spiega le basi della CPU Che cos'è una CPU e cosa fa? Che cos'è una CPU e cosa fa? Gli acronimi informatici sono confusi. Che cosa è una CPU? E ho bisogno di un processore quad o dual-core? Che ne dici di AMD o Intel? Siamo qui per aiutarti a spiegare la differenza! Per saperne di più.)
I livelli di cache: L1, L2 e L3
La cache della CPU è divisa in tre "Livelli" principali, L1, L2 e L3. La gerarchia qui è di nuovo in base alla velocità e quindi alla dimensione della cache.
La cache L1 (livello 1) è la memoria più veloce presente in un sistema informatico. In termini di priorità di accesso, la cache L1 contiene i dati di cui la CPU avrà più probabilmente bisogno durante il completamento di una determinata attività.
Per quanto riguarda le dimensioni, la cache L1 arriva fino a 256 KB. Tuttavia, alcune CPU davvero potenti lo stanno portando vicino a 1 MB. Alcuni chipset server (come le CPU Xeon di fascia alta di Intel) ora hanno da qualche parte tra 1-2 MB di cache L1.
Anche la cache L1 viene normalmente suddivisa in due modi, nella cache delle istruzioni e nella cache dei dati. La cache delle istruzioni tratta le informazioni sull'operazione che la CPU deve eseguire, mentre la cache dei dati contiene i dati su cui deve essere eseguita l'operazione.
La cache L2 (livello 2) è più lenta della cache L1, ma di dimensioni maggiori. Le sue dimensioni in genere variano da 256 KB a 8 MB, anche se le CPU più recenti e potenti tendono ad andare oltre. La cache L2 contiene i dati a cui è probabilmente possibile accedere successivamente dalla CPU. Nella maggior parte delle CPU moderne, le cache L1 e L2 sono presenti sui core della CPU stessi, con ogni core che ottiene la propria cache.
La cache L3 (livello 3) è la più grande unità di memoria cache e anche la più lenta. Può variare tra 4 MB e fino a 50 MB. Le moderne CPU hanno uno spazio dedicato sulla matrice della CPU per la cache L3 e occupa una grande porzione dello spazio.
Cache Hit o Miss e Latenza
I dati fluiscono dalla RAM alla cache L3, quindi a L2 e infine a L1. Quando il processore è alla ricerca di dati per eseguire un'operazione, tenta innanzitutto di trovarli nella cache L1. Se la CPU è in grado di trovarlo, la condizione è chiamata hit della cache. Quindi procede a trovarlo in L2, quindi in L3.
Se non trova i dati, prova ad accedervi dalla memoria principale. Questo si chiama cache miss.
Ora, come sappiamo, la cache è progettata per velocizzare le informazioni tra la memoria principale e la CPU. Il tempo necessario per accedere ai dati dalla memoria è chiamato latenza. L1 ha la latenza più bassa, essendo la più veloce e più vicina al core, e L3 ha la più alta. La latenza aumenta di molto in caso di mancanza di cache. Questo perché la CPU deve recuperare i dati dalla memoria principale.
Man mano che i computer diventano più veloci e migliori, stiamo assistendo a una diminuzione della latenza. Ora disponiamo di RAM DDR4 a bassa latenza e SSD superveloci con tempi di accesso bassi come memoria principale, entrambi i quali riducono significativamente la latenza complessiva. Se vuoi sapere di più su come funziona la RAM, ecco la nostra guida rapida e sporca alla RAM Una guida rapida e sporca alla RAM: cosa devi sapere Una guida rapida e sporca alla RAM: cosa devi sapere La RAM è fondamentale componente di ogni computer, ma può essere fonte di confusione. Lo suddividiamo in termini facili da comprendere che capirai. Leggi di più .
In precedenza, i progetti di cache avevano le cache L2 e L3 all'esterno della CPU, con un effetto negativo sulla latenza.
Tuttavia, i progressi nei processi di fabbricazione relativi ai transistor CPU hanno permesso di adattare miliardi di transistor in uno spazio più piccolo rispetto a prima. Di conseguenza, viene lasciato più spazio per la cache, che consente alla cache di essere il più vicino possibile al core, riducendo significativamente la latenza.
Il futuro della cache
Il design della cache è in continua evoluzione, soprattutto quando la memoria diventa più economica, più veloce e più densa. Intel e AMD hanno avuto una buona dose di sperimentazione con i progetti di cache, con Intel che ha persino sperimentato una cache L4. Il mercato delle CPU sta avanzando più velocemente che mai.
Con ciò, siamo tenuti a vedere la progettazione della cache tenere il passo con la potenza sempre crescente delle CPU.
Inoltre, si sta facendo molto per ridurre i colli di bottiglia dei computer moderni. Ridurre la latenza della memoria è forse la parte più grande di essa. L'industria sta lavorando a soluzioni uguali e il futuro sembra davvero promettente.
Potresti anche aver sentito parlare di Intel Optane, che può essere utilizzato come una sorta di cache esterna ibrida. In caso contrario, consulta il nostro articolo che esplora le potenziali applicazioni di Intel Optane La RAM DDR3 di Intel Optane Memory è economica? Intel Optane Memory è RAM DDR3 economica? Ti stai chiedendo che cos'è la memoria Intel Optane? È RAM economica o qualcosa di più? Ecco cosa devi sapere. Leggi di più .
Ulteriori informazioni su: Memoria del computer, Parti del computer, CPU.
