Çfarë është cache e CPU-së?

CPU-të moderne funksionojnë jashtëzakonisht shpejt; ato mund të tejkalojnë ndjeshëm RAM-in e sistemit. Ky çekuilibër i shpejtësisë ndërmjet CPU-së dhe kujtesës do të bënte që procesori juaj të rrijë shpesh i papunë, duke pritur që të dhënat t'i dërgohen në mënyrë që të mund të vazhdojë të ekzekutojë një proces. Për të parandaluar që kjo të ndodhë, duke lejuar që CPU-të të vazhdojnë të funksionojnë më shpejt dhe më shpejt, përdoret një memorie e fshehtë e CPU-së.

Si e shpejton cache CPU një CPU?

Memoria e memories së CPU-së është projektuar që të jetë sa më e shpejtë që të jetë e mundur dhe për të ruajtur më pas të dhënat që kërkon CPU-ja. Cache e CPU-së e ka shpejtësinë e saj të optimizuar në tre mënyra: vonesa, gjerësia e brezit dhe afërsia. Cache e CPU-së funksionon me vonesa shumë të ulëta, duke minimizuar sasinë e kohës që duhet për kthimin e një rezultati. Për shembull, Intel i9-9900k ka një vonesë cache prej 0.8, 2.4 dhe 11.1 nanosekonda për memorien L1, L2 dhe L3 përkatësisht. Në krahasim, vonesa e RAM-it modern me shpejtësi të lartë është rreth 14 nanosekonda.

Këshillë: Nivelet e memories së memories do të shpjegohen më në detaje më vonë, por thënë thjesht, shtresat e poshtme të memories janë më të shpejta, por janë më të shtrenjta, kështu që kanë kapacitete më të ulëta. Një nanosekonda është një e miliarda e sekondës, kështu që një vonesë prej 0,8 sekondash do të thotë se duhet më pak se një e miliarda e sekondës për të kthyer një rezultat.

Për sa i përket gjerësisë së brezit, cache e CPU-së ofron përmirësime të konsiderueshme të performancës mbi ruajtjen tradicionale dhe RAM-in. Shpejtësia e leximit të cache-it L1 dhe L3 mund të arrijë në 2,3 TB/s dhe 370 GB/s respektivisht, ndërsa gjerësia e brezit të RAM-it është zakonisht rreth 40 GB/s. Kjo rritje e gjerësisë së brezit do të thotë që cache e CPU-së mund të transferojë të dhëna në CPU shumë më shpejt se RAM-i.

Për të arritur shpejtësinë maksimale të mundshme, cache e CPU-së është ndërtuar në të vërtetë në silikonin e vetë CPU-së. Kjo minimizon distancën që duhet të udhëtojë çdo sinjal elektrik, duke mbajtur kështu vonesën sa më të ulët të jetë e mundur. Për shembull, kur memoria e fshehtë L3 u zhvendos për herë të parë nga pllaka amë në makineri CPU, procesori i kohës (Pentium 4 EE) ishte në gjendje të fitonte një përmirësim të performancës 10-20%.

Arkitektura e memories së CPU

CPU-të moderne zakonisht përdorin tre shtresa të cache-it të CPU-së të emërtuar L1-3, me cache me numër më të ulët që janë më afër bërthamave të CPU-së, më të shpejtë dhe më të shtrenjtë. Çdo bërthamë individuale e CPU-së në një CPU me shumë bërthama ka cache-në e vet L1. Zakonisht ndahet në dy pjesë, L1I dhe L1D. L1I përdoret për të memorizuar instruksionet për CPU-në ndërsa L1D përdoret për të memorizuar të dhënat mbi të cilat do të kryhen ato udhëzime.

Çdo bërthamë CPU zakonisht ka gjithashtu cache-në e vet L2 në një CPU moderne. Cache L2 është më e madhe dhe më e ngadaltë se cache L1 dhe përdoret kryesisht për të ruajtur të dhëna që përndryshe nuk do të përshtateshin në cache L2. Duke pasur një cache të dedikuar L2 për bërthamë, shmanget grindja e cache. Mosmarrëveshja e cache-it është vendi ku bërthama të ndryshme luftojnë për të kërkuar hapësirën e memories për ngarkesat e tyre të punës, gjë që mund të çojë në pastrimin e të dhënave të rëndësishme nga cache.

Cache L3 zakonisht ndahet midis të gjitha bërthamave të CPU të procesorit. Përsëri, cache L3 është më e ngadaltë se cache L2, por është më e lirë dhe më e madhe. Duke ofruar një memorie të përbashkët, është e mundur të zvogëlohet sasia e të dhënave që do të dublohen në nivele më të ulëta të memories së memories për bërthamë.

Këshillë: Si shembull, në përmasat e cache-it, i9-9900K i Intel-it ka një cache 64 KB L1 dhe 256 KB L2 për bërthamë (për një total prej 512 KB L1 dhe 2 MB L2), ai gjithashtu ka një memorie të përbashkët L3 16 MB.

Si përdoret cache e CPU-së?

Të gjitha nivelet e cache-it të CPU-së përdoren për të përshpejtuar performancën e procesorit duke ruajtur të dhënat nga RAM-i. Kur një CPU kërkon të dhëna, ai zakonisht kërkon fillimisht nëpër shtresat e cache-it të tij në një përpjekje për të marrë të dhënat sa më shpejt që të jetë e mundur. Nëse të dhënat gjenden në një goditje në cache, atëherë CPU mund të vazhdojë përpunimin e saj. Nëse të dhënat nuk janë në cache, në atë që quhet humbje e cache, atëherë CPU duhet të kontrollojë RAM-in dhe pastaj hard diskun nëse të dhënat nuk janë as aty. Shtresat më të shpejta kontrollohen gjithmonë fillimisht për performancë maksimale.

Për të ndihmuar CPU-në të ketë të dhënat që i nevojiten në cache kur i duhen, cache përpiqet të parandalojë se cilat të dhëna mund t'i nevojiten CPU-së më pas. Për shembull, nëse CPU-ja ka kërkuar disa të dhëna për një imazh që po jep, cache mund të përpiqet të ruajë paraprakisht më shumë nga të dhënat e imazhit në mënyrë që të mund të futet në CPU sa më shpejt që të jetë e mundur.