Què és la memòria cau de la CPU?

Les CPU modernes funcionen increïblement ràpid; poden superar significativament la memòria RAM del sistema. Aquest desequilibri de velocitat entre la CPU i la memòria faria que el vostre processador es quedés sovint inactiu, esperant que se li enviïn dades perquè pugui continuar executant un procés. Per evitar que això passi, permetent que les CPU continuïn funcionant cada cop més ràpid, s'utilitza una memòria cau de la CPU.

Com accelera la memòria cau de la CPU una CPU?

La memòria cau de la CPU està dissenyada per ser tan ràpida com sigui possible i, després, per emmagatzemar a la memòria cau les dades que demana la CPU. La memòria cau de la CPU té la seva velocitat optimitzada de tres maneres: latència, amplada de banda i proximitat. La memòria cau de la CPU funciona amb latències molt baixes, minimitzant la quantitat de temps que triga a tornar un resultat. Per exemple, l'Intel i9-9900k té una latència de memòria cau de 0,8, 2,4 i 11,1 nanosegons per a la memòria cau L1, L2 i L3, respectivament. En comparació, la latència de la memòria RAM moderna d'alta velocitat és de l'ordre de 14 nanosegons.

Consell: els nivells de memòria cau s'explicaran amb més detall més endavant, però simplement les capes inferiors de la memòria cau són més ràpides però són més cares, així que tenen capacitats més baixes. Un nanosegon és una mil·l·lonèsima de segon, de manera que una latència de 0,8 segons significa que es triga menys d'una mil·l·lonèsima de segon a retornar un resultat.

Pel que fa a l'ample de banda, la memòria cau de la CPU ofereix millores de rendiment importants respecte a l'emmagatzematge i la memòria RAM tradicionals. Les velocitats de lectura de la memòria cau L1 i L3 poden assolir un màxim de 2,3 TB/s i 370 GB/s respectivament, mentre que l'ample de banda de la memòria RAM sol ser d'uns 40 GB/s. Aquest augment de l'amplada de banda significa que la memòria cau de la CPU pot transferir dades a la CPU molt més ràpidament que la RAM.

Per aconseguir les màximes velocitats possibles, la memòria cau de la CPU està integrada en el silici de la matriu de la CPU. Això minimitza la distància que necessita recórrer qualsevol senyal elèctric, mantenint la latència el més baixa possible. Per exemple, quan la memòria cau L3 es va traslladar per primera vegada de la placa base a la matriu de la CPU, el processador de l'època (Pentium 4 EE) va aconseguir una millora de rendiment del 10 al 20%.

Arquitectura de la memòria cau de la CPU

Les CPU modernes utilitzen generalment tres capes de memòria cau de la CPU etiquetades com L1-3, amb una memòria cau de nombre inferior més propera als nuclis de la CPU, més ràpid i més car. Cada nucli de CPU individual d'una CPU multinucli té la seva pròpia memòria cau L1. Normalment es divideix en dues parts, la L1I i la L1D. L'L1I s'utilitza per emmagatzemar les instruccions a la memòria cau per a la CPU, mentre que L1D s'utilitza per a la memòria cau les dades sobre les quals s'han de realitzar aquestes instruccions.

Cada nucli de CPU normalment també té la seva pròpia memòria cau L2 en una CPU moderna. La memòria cau L2 és més gran i més lenta que la memòria cau L1 i s'utilitza principalment per emmagatzemar dades que d'altra manera no caben a la memòria cau L2. En tenir una memòria cau L2 dedicada per nucli, s'evita la contenció de la memòria cau. La contenció de la memòria cau és on diferents nuclis lluiten per reclamar espai de memòria cau per a les seves pròpies càrregues de treball, cosa que pot provocar que les dades importants s'esborrin de la memòria cau.

La memòria cau L3 normalment es comparteix entre tots els nuclis de CPU del processador. De nou, la memòria cau L3 és més lenta que la memòria cau L2, però és més barata i més gran. En proporcionar una memòria cau compartida, és possible reduir la quantitat de dades que es duplicarien en nivells inferiors de memòria cau per nucli.

Consell: com a exemple, en mides de memòria cau, l'i9-9900K d'Intel té una memòria cau L1 de 64 KB i una memòria cau L2 de 256 KB per nucli (per a un total de 512 KB L1 i 2 MB L2), també té una memòria cau L3 compartida de 16 MB.

Com s'utilitza la memòria cau de la CPU?

Tots els nivells de la memòria cau de la CPU s'utilitzen per accelerar el rendiment del processador mitjançant la memòria cau de les dades de la memòria RAM. Quan una CPU demana dades, normalment cerca primer a través de les seves capes de memòria cau per intentar obtenir les dades el més ràpid possible. Si les dades es troben en un cop de memòria cau, la CPU pot continuar el processament. Si les dades no es troben a la memòria cau, en el que s'anomena una pèrdua de memòria cau, aleshores la CPU ha de comprovar la memòria RAM i, a continuació, el disc dur si les dades tampoc no hi són. Les capes més ràpides sempre es comproven primer per obtenir el màxim rendiment.

Per ajudar la CPU a tenir les dades que necessita a la memòria cau quan les necessiti, la memòria cau intenta anticipar quines dades podria necessitar la CPU a continuació. Per exemple, si la CPU ha sol·licitat algunes dades per a una imatge, està mostrant la memòria cau pot intentar emmagatzemar a la memòria cau preventiva més dades de la imatge perquè es puguin alimentar a la CPU el més ràpid possible.