Πώς λειτουργεί η προσωρινή μνήμη CPU και ποια είναι τα L1, L2 και L3;
Διαφήμιση
Οι επεξεργαστές υπολογιστών έχουν προχωρήσει πολύ λίγο τα τελευταία χρόνια, καθώς το μέγεθος των τρανζίστορ γίνεται όλο και μικρότερο κάθε χρόνο και οι εξελίξεις χτυπούν ένα σημείο όπου ο νόμος του Moore γρήγορα γίνεται περιττός.
Όσον αφορά τους επεξεργαστές, δεν είναι μόνο τα τρανζίστορ και οι συχνότητες που μετράνε, αλλά και η μνήμη cache.
Μπορεί να έχετε ακούσει για τη μνήμη προσωρινής μνήμης όταν συζητούνται CPU (Κεντρικές Μονάδες Επεξεργασίας). Ωστόσο, δεν δίνουμε μεγάλη προσοχή σε αυτούς τους αριθμούς, ούτε είναι πραγματικά το κύριο σημείο αναφοράς των διαφημίσεων αυτών των επεξεργαστών.
Έτσι ακριβώς πόσο σημαντική είναι η κρυφή μνήμη CPU και πώς λειτουργεί;
Τι είναι η προσωρινή μνήμη CPU;
Για να το θέσουμε απλά, μια μνήμη cache είναι απλά ένας πολύ γρήγορος τύπος μνήμης. Όπως ίσως γνωρίζετε, ένας υπολογιστής έχει πολλούς τύπους μνήμης μέσα σε αυτό. Υπάρχει μια κύρια αποθήκευση, όπως ένας σκληρός δίσκος ή ένας SSD, ο οποίος αποθηκεύει το μεγαλύτερο μέρος των δεδομένων - το λειτουργικό σύστημα και όλα τα προγράμματα.
Έπειτα, έχουμε τη μνήμη τυχαίας προσπέλασης, κοινώς γνωστή ως μνήμη RAM. Αυτό είναι πολύ πιο γρήγορα από την κύρια αποθήκευση.
Τέλος, η CPU έχει ακόμα πιο γρήγορα μονάδες μνήμης μέσα στην ίδια, την οποία γνωρίζουμε ως κρυφή μνήμη.
Η μνήμη σε έναν υπολογιστή έχει μια ιεραρχία, με βάση την ταχύτητα, και η μνήμη cache βρίσκεται στην κορυφή αυτής της ιεραρχίας, που είναι η ταχύτερη. Είναι επίσης το πλησιέστερο εκεί όπου συμβαίνει η κεντρική επεξεργασία, που είναι μέρος της ίδιας της CPU.
Η μνήμη cache είναι μια στατική μνήμη RAM (SRAM), σε σύγκριση με τη μνήμη RAM του συστήματος, η οποία είναι μια δυναμική μνήμη RAM (DRAM). Η στατική μνήμη RAM είναι αυτή που μπορεί να διατηρεί δεδομένα χωρίς να χρειάζεται να ανανεώνεται συνεχώς, σε αντίθεση με την DRAM, πράγμα που καθιστά το SRAM ιδανικό για χρήση σε cache.
Πώς λειτουργεί η προσωρινή μνήμη CPU;
Όπως ίσως έχετε ήδη συνειδητοποιήσει, ένα πρόγραμμα έχει σχεδιαστεί ως ένα σύνολο οδηγιών που πρέπει να εκτελεστούν από την CPU. Όταν εκτελείτε ένα πρόγραμμα, αυτές οι οδηγίες πρέπει να κάνουν το δρόμο τους από την κύρια αποθήκευση στην CPU. Αυτό είναι όπου η ιεραρχία μνήμης μπαίνει στο παιχνίδι.
Τα δεδομένα αρχικά φορτώνονται στη μνήμη RAM και αποστέλλονται στην CPU. Οι CPU αυτές τις μέρες είναι σε θέση να εκτελέσουν έναν γιγάντιο αριθμό οδηγιών ανά δευτερόλεπτο. Για να αξιοποιήσει πλήρως την ισχύ του, η CPU χρειάζεται πρόσβαση σε υπερταχεία μνήμη. Εδώ έρχεται η μνήμη cache.
Ο ελεγκτής μνήμης κάνει τη δουλειά να λαμβάνει τα δεδομένα από τη μνήμη RAM και να τα στέλνει στην κρυφή μνήμη. Ανάλογα με το ποια CPU υπάρχει στο σύστημά σας, αυτός ο ελεγκτής μπορεί να είναι είτε στο chipset North Bridge στη μητρική πλακέτα είτε στο ίδιο το CPU.
Στη συνέχεια, η μνήμη cache εκτελεί τα εμπρός και πίσω δεδομένα εντός της CPU. Η ιεραρχία της μνήμης υπάρχει επίσης μέσα στην κρυφή μνήμη.
(Εάν ενδιαφέρεστε να μάθετε πώς λειτουργεί η ίδια η CPU, ανατρέξτε στο άρθρο μας που εξηγεί τα βασικά στοιχεία της CPU Τι είναι μια CPU και τι κάνει; Τι είναι μια CPU και τι κάνει; Τα αρκτικόλεξα υπολογιστών είναι συγκεχυμένα. ένα CPU ούτως ή άλλως και χρειάζομαι έναν επεξεργαστή τετραπλού ή διπλού πυρήνα, τι συμβαίνει με την AMD ή την Intel, είμαστε εδώ για να εξηγήσουμε τη διαφορά!
Τα επίπεδα της κρυφής μνήμης: L1, L2 και L3
Η κρυφή μνήμη CPU χωρίζεται σε τρία κύρια 'Επίπεδα', L1, L2 και L3. Η ιεραρχία εδώ είναι και πάλι ανάλογα με την ταχύτητα και επομένως το μέγεθος της μνήμης.
Η μνήμη cache L1 (Επίπεδο 1) είναι η ταχύτερη μνήμη που υπάρχει σε ένα σύστημα υπολογιστή. Όσον αφορά την προτεραιότητα της πρόσβασης, η L1 cache έχει τα δεδομένα που η CPU είναι πιο πιθανό να χρειαστεί κατά την ολοκλήρωση μιας συγκεκριμένης εργασίας.
Όσον αφορά το μέγεθος, η μνήμη L1 συνήθως φτάνει τα 256KB. Εντούτοις, μερικές πραγματικά ισχυρές μονάδες CPU το παίρνουν τώρα κοντά στο 1MB. Ορισμένα chipsets για διακομιστές (όπως CPUs κορυφαίων Xeon της Intel) έχουν τώρα κάπου μεταξύ 1-2MB κρυφής μνήμης L1.
Η κρυφή μνήμη L1 συνήθως επίσης χωρίζεται με δύο τρόπους, στην προσωρινή μνήμη εντολών και στην προσωρινή μνήμη δεδομένων. Η προσωρινή μνήμη εντολών ασχολείται με τις πληροφορίες σχετικά με τη λειτουργία που πρέπει να εκτελέσει η CPU, ενώ η προσωρινή μνήμη δεδομένων περιέχει τα δεδομένα στα οποία πρόκειται να εκτελεστεί η ενέργεια.
Η μνήμη cache L2 (Επίπεδο 2) είναι πιο αργή από την κρυφή μνήμη L1, αλλά μεγαλύτερη σε μέγεθος. Το μέγεθός του κυμαίνεται συνήθως μεταξύ 256KB και 8MB, αν και οι νεότερες, ισχυρές CPU τείνουν να περάσουν από αυτό. Η προσωρινή μνήμη L2 διατηρεί δεδομένα που είναι πιθανό να έχουν πρόσβαση από την επόμενη CPU. Στις περισσότερες σύγχρονες CPU, οι κρυφές μνήμες L1 και L2 υπάρχουν στους ίδιους τους πυρήνες της CPU, με κάθε πυρήνα να έχει τη δική του κρυφή μνήμη.
Η μνήμη προσωρινής μνήμης L3 (Επίπεδο 3) είναι η μεγαλύτερη μνήμη μνήμης προσωρινής μνήμης, αλλά και η πιο αργή. Μπορεί να κυμαίνεται μεταξύ 4MB και άνω των 50MB. Οι σύγχρονες επεξεργαστές CPU έχουν αφιερωμένο χώρο στον επεξεργαστή CPU για την μνήμη cache L3 και χρειάζονται ένα μεγάλο κομμάτι του χώρου.
Cache Hit ή Miss και Latency
Τα δεδομένα ρέουν από τη μνήμη RAM στην cache L3, στη συνέχεια στο L2 και τέλος στο L1. Όταν ο επεξεργαστής αναζητά δεδομένα για να εκτελέσει μια λειτουργία, προσπαθεί πρώτα να το βρει στην κρυφή μνήμη L1. Εάν η CPU είναι σε θέση να την βρει, η κατάσταση ονομάζεται hit cache. Έπειτα συνεχίζει να το βρίσκει στο L2, και στη συνέχεια στο L3.
Εάν δεν βρει τα δεδομένα, προσπαθεί να την αποκτήσει από την κύρια μνήμη. Αυτό ονομάζεται απώλεια κρυφής μνήμης.
Τώρα, όπως γνωρίζουμε, η κρυφή μνήμη έχει σχεδιαστεί για να επιταχύνει την εμπρός και πίσω ενημέρωση μεταξύ της κύριας μνήμης και της CPU. Ο χρόνος που απαιτείται για την πρόσβαση στα δεδομένα από τη μνήμη ονομάζεται Latency. Το L1 έχει τη χαμηλότερη καθυστέρηση, είναι η ταχύτερη και πλησιέστερα στον πυρήνα και η L3 έχει το υψηλότερο. Η λανθάνουσα κατάσταση αυξάνεται κατά πολύ όταν υπάρχει μνήμη cache. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η CPU πρέπει να πάρει τα δεδομένα από την κύρια μνήμη.
Καθώς οι υπολογιστές γίνονται ταχύτεροι και καλύτεροι, παρατηρούμε μείωση της καθυστέρησης. Έχουμε τώρα τη μνήμη DDR4 RAM χαμηλής λανθάνουσας κατάστασης και τα υπερσύγχρονα SSD με χαμηλή ταχύτητα πρόσβασης ως κύρια αποθήκευση, τα οποία μειώνουν σημαντικά τη συνολική λανθάνουσα κατάσταση. Αν θέλετε να μάθετε περισσότερα για το πώς λειτουργεί η RAM, εδώ είναι ο γρήγορος και βρώμικος οδηγός μας για τη μνήμη RAM Ένας γρήγορος και βρώμικος οδηγός για τη μνήμη RAM: Τι πρέπει να γνωρίζετε Ένας γρήγορος και βρώμικος οδηγός για τη μνήμη RAM: Τι πρέπει να ξέρετε αλλά μπορεί να προκαλέσει σύγχυση. Το κατακερματίζουμε σε κατανοητές όρους που θα καταλάβετε εύκολα. Διαβάστε περισσότερα .
Νωρίτερα, τα σχέδια κρυφής μνήμης χρησιμοποίησαν για να έχουν τις κρυφές μνήμες L2 και L3 εκτός της CPU, οι οποίες είχαν αρνητική επίδραση στην λανθάνουσα κατάσταση.
Ωστόσο, οι εξελίξεις στις διαδικασίες κατασκευής που σχετίζονται με τα τρανζίστορς της CPU επέτρεψαν την τοποθέτηση δισεκατομμυρίων τρανζίστορ σε μικρότερο χώρο από ό, τι πριν. Ως αποτέλεσμα, αφήνεται περισσότερο χώρο για την κρυφή μνήμη, η οποία επιτρέπει στην κρυφή μνήμη να είναι όσο το δυνατόν πιο κοντά στον πυρήνα, μειώνοντας σημαντικά την καθυστέρηση.
Το μέλλον της κρυφής μνήμης
Το cache design εξελίσσεται πάντα, ειδικά καθώς η μνήμη γίνεται φθηνότερη, ταχύτερη και πυκνότερη. Η Intel και η AMD είχαν δίκιο μερίδιο πειραματισμού με σχέδια κρυφής μνήμης, ενώ η Intel πειραματίζεται ακόμη και με μνήμη cache L4. Η αγορά της CPU προχωράει ταχύτερα από ποτέ.
Με αυτό, είμαστε υποχρεωμένοι να δούμε το σχεδιασμό της κρυφής μνήμης να συμβαδίζει με την συνεχώς αυξανόμενη δύναμη των CPUs.
Επιπλέον, πολλά έχουν γίνει για να μειώσουν τα εμπόδια που έχουν οι σύγχρονοι υπολογιστές. Η μείωση της καθυστέρησης μνήμης είναι ίσως το μεγαλύτερο μέρος αυτής. Η βιομηχανία εργάζεται προς την κατεύθυνση λύσεων για το ίδιο, και το μέλλον μοιάζει πολύ ελπιδοφόρο.
Μπορεί να έχετε ακούσει ακόμη και για την Intel Optane, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως είδος μίας υβριδικής εξωτερικής μνήμης cache. Αν δεν έχετε, δείτε το άρθρο μας για να εξερευνήσετε τις πιθανές εφαρμογές της Intel Optane Είναι η Intel Optane Memory Φτηνές DDR3 RAM; Είναι η μνήμη Optane της Intel Φτηνές DDR3 RAM; Αναρωτιέστε τι είναι η μνήμη Optane της Intel; Είναι φθηνή RAM ή κάτι περισσότερο; Εδώ είναι τι πρέπει να ξέρετε. Διαβάστε περισσότερα .
Εξερευνήστε περισσότερα σχετικά με: Μνήμη Υπολογιστών, Μέρη Υπολογιστών, CPU.
