Che cos'è la cache l1, l2 e l3 e come funziona?

Hai mai sentito parlare della cache L1, L2 e L3 ? Sicuramente sì, ma se non sei sicuro di cosa significhino realmente questi livelli di cache, in questo articolo proveremo a spiegare tutto al meglio delle nostre capacità. D'ora in poi capirai meglio le caratteristiche di memoria di un processore.

Saprai già che uno dei componenti più importanti di un computer è la sua memoria, parliamo ovviamente della memoria RAM, quella in cui vengono caricati tutti i programmi e il sistema operativo in modo che vengano utilizzati dal processore o dalla necessità di accedere al disco difficile.

La RAM è molto più veloce di un disco rigido, soprattutto delle unità meccaniche. Ma c'è ancora una memoria più veloce nel nostro computer, in particolare all'interno del nostro processore, e questa è la memoria cache, che è ciò che vedremo oggi.

Indice dei contenuti

Qual è la memoria cache di una CPU

La prima cosa che dovremo sapere è qual è la cache in generale. Come abbiamo già detto, all'interno di un PC ci sono diversi tipi di memoria e precisamente la memoria cache sarà la più veloce di tutte.

Livelli di archiviazione

Per cominciare, nel primo passo avremo la memoria principale, che senza dubbio sono dischi rigidi. In essi tutte le informazioni sono memorizzate in modo permanente, da esso il sistema operativo crea un PC funzionale. È la memoria più lenta, da circa 150 MB / s su un HDD (disco rigido meccanico) agli impressionanti 3.500 MB / s degli SSD più veloci sul mercato.

In secondo luogo, avremo memoria ad accesso casuale o RAM. È una memoria a stato solido più piccola, che non è in grado di archiviare i dati in modo permanente e funge da gateway tra il disco rigido e il processore. Offre una velocità superiore a 30.000 MB / s in DDR4. La memoria è anche chiamata DRAM (RAM dinamica) perché deve essere costantemente aggiornata per evitare la perdita di informazioni.

Il terzo livello, il più veloce

E finalmente arriviamo a quello in alto, la cache. È una memoria molto piccola installata all'interno del proprio microprocessore e del tipo SRAM (Static RAM). È molto più costoso da produrre rispetto alla normale RAM e può contenere dati senza essere costantemente aggiornato.

Il fatto di essere installato all'interno della CPU lo rende il più vicino ai core di elaborazione, ed è per questo che deve essere dannatamente veloce. In effetti, raggiunge una velocità di oltre 200 GB / se latenze di circa 10 o 11 ns (nanosecondi). La memoria cache ha il compito di memorizzare le istruzioni che verranno imminentemente elaborate dalla CPU, in modo che possa accedervi il più rapidamente possibile.

A sua volta, la memoria cache è divisa in più livelli, ognuno più veloce, più piccolo e più vicino al processore. I processori attualmente hanno un totale di tre livelli di memoria cache all'interno. Prima di entrare in questo, diamo una rapida occhiata a come funziona una cache.

Come funziona la memorizzazione nella cache

Potresti non saperlo, ma praticamente tutte le periferiche e gli elementi di un computer hanno la loro memoria cache, ad esempio i dischi rigidi stessi, la stampante e, naturalmente, le GPU delle schede grafiche. E la funzione di tutti loro, inclusa quella di una CPU, sarà la stessa.

Come sappiamo, un computer è "intelligente" grazie al sistema operativo e ai suoi programmi. Ognuno di questi programmi è creato da un linguaggio di programmazione, che a sua volta è un insieme di istruzioni che devono essere eseguite in modo ordinato nella CPU. Diciamo in modo ordinato perché è a questo punto che ha senso stabilire diversi livelli di archiviazione.

I dati vengono archiviati in modo fisso nei dischi rigidi, ma poiché sono così lenti e "così lontani" dalla CPU, vengono caricati prima nella RAM di memoria, una memoria molto più veloce e utilizzati solo per i programmi che sono in funzione.

Entra in gioco il controller di memoria

Ma non è ancora sufficiente, poiché le CPU di oggi sono così veloci e in grado di eseguire milioni di operazioni ogni secondo su ciascun core, entra la cache. All'interno della CPU c'è un controller di memoria, che è fondamentalmente quello che in precedenza era chiamato ponte nord o ponte nord ed era un chip installato sulla scheda madre. Bene, questo controller di memoria è ora all'interno della CPU ed è incaricato di prendere le istruzioni che verranno eseguite dalla memoria RAM e anche di restituire i risultati del ciclo di elaborazione.

Ma ci sono anche due tipi di bus che sono responsabili della comunicazione della CPU con la memoria RAM, che sono chiamati bus dati e bus indirizzo:

• Bus dati: sono fondamentalmente le tracce in cui circolano i dati e le istruzioni. Ci sarà un bus dati che comunica tra loro RAM, cache e core. Bus indirizzo: è un canale indipendente in cui la CPU richiede l' indirizzo di memoria in cui si trovano i dati. Le istruzioni sono memorizzate in celle di memoria, che hanno un indirizzo e sia la RAM che la cache e la CPU devono conoscerlo per individuare i dati in questione.

Cache L1, L2 e L3

Ormai, sappiamo già abbastanza approssimativamente come funziona la memoria su un PC e come funziona la memorizzazione nella cache. Ma dobbiamo sapere che c'è una cache L1, L2 e L3 all'interno della CPU, sembra incredibile che qualcosa di così piccolo si adatti così bene? Per questi tre livelli di memoria cache soddisfare una gerarchia di velocità e, naturalmente, di capacità.

Memoria cache L1

La cache L1 è la configurazione più veloce, quella più vicina ai core. Questo memorizza i dati che verranno immediatamente utilizzati dalla CPU, ed è per questo che le velocità sono di circa 1150 GB / se la latenza è solo di 0, 9 ns.

La dimensione di questa memoria cache è di circa 256 KB in totale, anche se a seconda della potenza (e del costo) della CPU sarà inferiore o maggiore, infatti, i processori per workstation come Intel Core i9-7980 XE hanno alcuni 1152 KB in totale.

Questa cache L1 è divisa in due tipi, la cache di dati L1 e la cache di istruzioni L1, la prima è responsabile della memorizzazione dei dati da elaborare e la seconda memorizza le informazioni sull'operazione da eseguire (addizione, sottrazione, moltiplicazione, ecc).

Inoltre, ogni core ha le sue cache L1, quindi se abbiamo un processore a 6 core, avremo 6 cache L1 divise in L1 D e L1 I. Nei processori Intel ognuno è di 32 KB e in I processori AMD sono anche 32 KB o 64 KB su L1 I. Naturalmente varieranno in base alla qualità e alla potenza, come sempre.

Memoria cache L2

Il prossimo che troveremo sarà la cache L2 o livello 2. Questo ha una maggiore capacità di archiviazione, anche se sarà un po 'più lento, circa 470 GB / se latenza di 2, 8 ns. Le dimensioni di archiviazione variano in genere tra 256 KB e 18 MB. Vediamo già che sono notevoli capacità per le velocità che gestiamo.

Le istruzioni e i dati sono memorizzati al suo interno e saranno presto utilizzati dalla CPU, e in questo caso non sono divisi in Istruzioni e dati. Ma abbiamo una cache L2 per ogni core, almeno questo è il caso dei processori più rilevanti. Per ogni core, di solito ci sono 256, 512 o fino a 1024 KB.

Memoria cache L3

Infine troveremo la cache L3, che ha uno spazio dedicato sul chip del processore. Sarà il più grande e anche il più lento, stiamo parlando di oltre 200 GB / se 11 ns di latenza.

Attualmente un degno processore avrà almeno 4 MB di cache L3 e possono essere visti drive fino a 64 MB. L'L3 è generalmente distribuito su circa 2 MB per core, ma diciamo solo che non è all'interno di ciascun core, quindi esiste un bus dati per comunicare con loro. La solvibilità e la velocità di una CPU dipendono in gran parte da questo bus e dalla memoria RAM stessa, ed è qui che Intel ottiene la sua potenza da AMD.

Come conoscere la cache L1, L2 e L3 del mio processore

Bene, uno dei modi più veloci per conoscere queste informazioni è scaricare lo strumento CPU-Z, che è completamente gratuito e ti fornirà informazioni molto complete sulla tua CPU. Anche i tre livelli e la quantità di spazio di archiviazione per ciascuno. Puoi scaricarlo dal suo sito ufficiale.

Puoi anche inserire la marca e il modello nel browser e andare alla pagina del produttore, anche se in genere forniscono solo informazioni sulla cache L3. Naturalmente, in tutta la nostra recensione di processori forniamo informazioni complete sulla cache di ogni CPU e ne valutiamo le prestazioni.

Latenza, larghezza del bus e mancanza di cache

Abbiamo capito che i dati fluiscono dal disco rigido al core di elaborazione attraverso tutti i livelli di memoria. Laddove il processore cerca prima le istruzioni successive da elaborare, si trova nella memoria cache, un sistema di qualità dovrebbe sapere come individuare correttamente i dati in base alla sua importanza al fine di ridurre al minimo i tempi di accesso ad essi, che è chiamato latenza.

La latenza è quindi il tempo necessario per accedere ai dati dalla memoria. Maggiore è la lentezza, maggiore latenza e maggiore sarà la CPU che dovrà attendere le istruzioni successive. Pertanto, quando un'istruzione non si trova nella memoria cache, il processore deve cercarla direttamente nella memoria RAM, questo si chiama mancanza di cache o cache mancante, quando si verifica un PC più lento.

La larghezza del bus è anche di grande importanza per la velocità, in quanto segna la capacità di trasferire blocchi di dati più grandi dalla memoria alla CPU. Sia la CPU che la RAM sono 64 bit, ma la funzione Dual Channel è in grado di raddoppiare questa capacità a 128 bit in modo che il trasferimento tra questi elementi abbia una capacità maggiore.

Conclusione sulla memoria cache L1, L2 e L3

Osserviamo sempre molto il numero di core e la velocità di un processore, è chiaro che determina in gran parte la velocità totale di esso. Ma un elemento che a volte non viene di solito preso in considerazione è la memoria cache, ed è essenziale quando si tratta di avere un potente processore.

Avere una CPU a 6 core con 4 o 16 MB di cache L3, ad esempio, sarà molto significativo quando si tratta di misurare le sue prestazioni, specialmente quando abbiamo più programmi aperti. Quindi, d'ora in poi, dai un'occhiata a questa sezione quando decidi di acquistare un processore, perché non tutto dipende dalla frequenza.

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Speriamo che tutte queste informazioni ti siano state utili per saperne di più sui processori e sulla memoria cache. Se hai domande puoi farcele nella casella dei commenti. Ci vediamo nel prossimo tutorial!