Kas ir Scratchpad atmiņa?

Piekļuve datiem ir būtiska CPU dizaina sastāvdaļa. CPU darbojas ārkārtīgi lielā ātrumā, katrā pulksteņa ciklā apstrādājot vairākas instrukcijas, un tāpēc tiem ir nepieciešama piekļuve daudziem datiem. Lielākā daļa šo datu tiek glabāti datu nesējā. Tomēr uzglabāšanas ierīces ir neiespējami lēnas, salīdzinot ar centrālo procesoru. Krātuves ierīces arī ievērojami labāk nolasa secīgi nekā nejauši, lai gan SSD šajā ziņā (un daudzos citos) piedāvā ievērojamus uzlabojumus salīdzinājumā ar HDD.

Sistēmas operatīvā atmiņa ir izstrādāta tā, lai to ielādētu visi dati, kas CPU varētu būt nepieciešami pašlaik darbinātajai programmatūrai. RAM ir ievērojami mazāks latentums nekā krātuvei, un tā ir arī īpaši pielāgota augstai nejaušās lasīšanas veiktspējai. Tomēr, lai arī mūsdienu operatīvā atmiņa ir ātra, tas joprojām nav nekas, salīdzinot ar centrālo procesoru ar latentumu aptuveni 400 pulksteņa ciklu.

Lai vēl vairāk samazinātu latentumu, lielākajā daļā mūsdienu CPU ir iekļauti kešatmiņas līmeņi. Parasti tos sauc par L1, L2 un L3 kešatmiņām. L1 ir patiešām liels ātrums, parasti, lai piekļūtu 5 pulksteņa cikliem. L2 ir nedaudz lēnāks, apmēram 20 cikli. L3 ir vēl lēnāks, ap 200 cikliem. Lai gan L1 ir neticami ātrs, tas ir arī mazs. Lielāko daļu tā ātruma nodrošina fakts, ka mazākās kešatmiņās meklēšana prasa mazāk laika. L2 ir lielāks par L1, bet mazāks par L3, kas joprojām ir mazāks par sistēmas RAM. Šo kešatmiņu lieluma līdzsvarošana ir ļoti svarīga, lai iegūtu augstas veiktspējas centrālo procesoru. Kešatmiņas trāpījumu attiecība ir svarīga, taču jums ir jāsabalansē trāpījumu skaits ar laiku, kas nepieciešams šī trāpījuma iegūšanai, līdz ar to arī līmeņi.

Scratchpad atmiņa

Ņemiet vērā, ka scratchpad atmiņa neietilpst tradicionālajā atmiņas hierarhijā. Tas ir tāpēc, ka tas netiek izmantots lielākajā daļā patērētāju CPU. Scratchpad atmiņa ir izstrādāta tā, lai to izmantotu tāpat kā reālajā dzīvē. Pierakstiet pagaidu informāciju, kas jums ir jāatceras, bet nav faktiski jāreģistrē. Lielāko daļu laika centrālais procesors apstrādā datus, un pēc tam šis rezultāts ir nekavējoties vajadzīgs. Tas var kopēt to atmiņā, taču, lai tam varētu ātri piekļūt, tas arī jāsaglabā kešatmiņā.

Scratchpad atmiņa būtībā aizpilda to pašu trūkumu kā L1 kešatmiņa. Tas ir pieejams pēc iespējas ātrāk, bieži vien viencipara ciklu skaitā. Lai to pārvaldītu, tas ir arī salīdzinoši mazs. Tomēr ir divas galvenās atšķirības starp L1 un scratchpad atmiņu. Pirmkārt, scratchpad atmiņa ir tieši adresējama. Otrkārt, tas tiek koplietots starp visiem kodoliem un procesoriem.

Atšķirības starp kešatmiņu un scratchpad

CPU kešatmiņa būtībā ir caurspīdīga CPU, tajā nevar apzināti ievietot datus un tā saturu nevar ieprogrammēt. Tā vietā centrālais procesors vienkārši pieprasa datus no RAM un atgūst tos ātrāk, dažreiz ievērojami ātrāk, nekā varētu gaidīt. Atļaujot scratchpad adresēt, tas nozīmē, ka kods var precīzi norādīt, kādiem datiem ir jābūt zīmulī. Tas var būt noderīgi, lai gan mūsdienu kešatmiņas algoritmi ir lieliski, un standarta darba slodzēs ir sagaidāms trāpījumu līmenis 95–97%.

L1 kešatmiņa vienmēr ir bloķēta atsevišķam apstrādes kodolam. Neviens cits apstrādes kodols tam nevar piekļūt. Tas nozīmē, ka, ja vairākiem kodoliem ir nepieciešami vieni un tie paši dati, tie var dublēt tos savā L1 kešatmiņā. Dažās CPU arhitektūrās L2 ir katram kodolam, citās tas tiek koplietots nelielam skaitam vai pat visiem kodoliem. L3 mēdz koplietot visi kodoli. Kešatmiņas koplietošana starp kodoliem ļauj diviem vai vairākiem kodoliem piekļūt tiem pašiem datiem, tos nedublējot. Tas arī ļauj vienam kodolam izmantot vairāk, nekā tas ir taisnīgi, ja tam ir nepieciešamība un kešatmiņā ir vietas.

Scratchpad darbojas līdzīgi kā L1 ātruma un ietilpības ziņā, taču tas ir sadalīts starp visiem kodoliem. Tas ļauj ļoti ātri piekļūt konkrētiem datiem, kas tiek apstrādāti daudzpavedienu darba slodzē. Scratchpad atmiņu var pat koplietot starp dažādiem CPU vairāku ligzdu mātesplatēs.

Viens trūkums, kas piemīt scratchpad atmiņai, ir tas, ka uz to var pārāk daudz paļauties. Tā kā programmatūra var tai piekļūt tieši, tā var būt atkarīga no tās klātbūtnes noteiktos daudzumos. Tādā gadījumā tas nespētu darboties ar CPU bez tik lielas scratchpad atmiņas. Kešatmiņas līmeņi vienkārši necieš no šīs problēmas, tāpēc tie ir labāk piemēroti vispārējai lietošanai.

Lietošanas gadījumi

Scratchpad atmiņa visbiežāk ir atrodama vairāku ligzdu serveru sistēmās, kas paredzētas HPC (augstas veiktspējas skaitļošanai). Tā ātruma un koplietotās piekļuves kombinācija padara to noderīgu ļoti paralēlām darba slodzēm.

Scratchpad atmiņa tiek izmantota arī daudz mazākos procesoros. Iegultie procesori, bieži vien MPSoC. Iegultais procesors bieži ir salīdzinoši mazjaudas un specializēts konkrētam uzdevumam. Šī specializācija bieži tiek pārstāvēta aparatūras optimizācijā. Īpaši daudzprocesoru sistēmā mikroshēmā koplietojamā ātrgaitas atmiņa var nodrošināt ievērojamus latentuma uzlabojumus vairākiem dažādiem procesoriem. Šāda veida centrālo procesoru dizains bieži ir ļoti fiksēts. Piemēram, spēļu konsolēs jau ir daudz optimizēta aparatūras dizains, tāpēc tās var lietderīgi izmantot, neuztraucoties par saderību atpakaļ vai uz priekšu.

Secinājums

Scratchpad atmiņa ir līdzīga L1 kešatmiņai, taču tai ir vairākas atšķirības, kas maina tās lietošanas gadījumus. Tā vietā, lai tā būtu kešatmiņa, tā ir tieši adresējama, ļaujot datus īpaši piešķirt īpaši liela ātruma atmiņai. Tas ir arī koplietots starp visiem procesora kodoliem un procesoriem, padarot to īpaši noderīgu daudzpavedienu darba slodzēs.