Čo je vyrovnávacia pamäť L0?

CPU sú neuveriteľne zložité beštie. Existuje mnoho vzájomne prepojených častí, ktoré musia všetky fungovať v dokonalom súzvuku, aby sa dosiahli úrovne výkonu, ktoré vidíme. Jednou z kľúčových vlastností CPU je vyrovnávacia pamäť. Nie je to okázalá funkcia. Nepropaguje tak dobre ako počet jadier alebo špičková frekvencia zosilnenia. Je to však dôležité pre výkon.

Prečo Cache?

Moderné procesory sú neuveriteľne rýchle. Každú sekundu vykonajú viac ako päť miliárd operácií. Udržať CPU napájané dátami, keď pracuje tak rýchlo, je ťažké. RAM má dostatočnú kapacitu na zásobovanie CPU dátami. Dokáže dokonca prenášať dáta každú sekundu, a to vďaka veľmi vysokej šírke pásma. To však nie je problém. Problémom je latencia.

RAM dokáže reagovať veľmi rýchlo. Problém je v tom, že „veľmi rýchlo“ je dlhý čas, keď každú sekundu urobíte päť miliárd vecí. Dokonca aj najrýchlejšia RAM má latenciu nad 60 nanosekúnd. Opäť platí, že 60 nanosekúnd znie ako žiadny čas. Problém je v tom, že ak by CPU bežal na 1 GHz, dokončenie cyklu by trvalo 1 ns. Pri špičkových procesoroch dosahujúcich 5,7 GHz je to jeden cyklus každých 175 pikosekúnd. Ako teraz vyzerá tých 60 nanosekúnd latencie? To je 342 cyklov latencie.

Takáto latencia by bola zabijakom akéhokoľvek výkonu CPU. Na obídenie sa používa vyrovnávacia pamäť. Cache je umiestnená na samotnej matrici CPU. Je tiež oveľa menší ako RAM a používa inú štruktúru, skôr SRAM ako DRAM. Vďaka tomu reaguje oveľa rýchlejšie ako hlavná systémová RAM. Cache je zvyčajne vrstvená, pričom L1, L2 a L3 sa používajú na označenie vrstiev, ktoré sa dostávajú ďalej a ďalej od jadier CPU. Nižšie úrovne sú rýchlejšie, ale menšie. L1 môže mať latenciu štyri alebo päť hodinových cyklov, oveľa lepšie ako 342.

Ale niektoré CPU uvádzajú L0?

Terminológia pre L1, L2 a L3 je celkom štandardná. Nejasné chápanie toho, čo znamenajú a čo robia, je pomerne bežné, dokonca aj medzi dodávateľmi CPU. Je to preto, že sa riadia materiálovou a elektrickou fyzikou; veľa sa toho zmeniť nedá. Môžete mať rýchlu vyrovnávaciu pamäť alebo veľkú vyrovnávaciu pamäť, nie oboje. Ak zdieľate vyrovnávaciu pamäť medzi viacerými jadrami, musí byť väčšia. Na tento účel majú L1 a L2 tendenciu byť špecifické pre jadro. Väčšia vyrovnávacia pamäť L3 má tendenciu byť zdieľaná medzi niektorými alebo všetkými jadrami na CPU alebo čiplete.

Ako pravdepodobne tušíte, L0 súvisí s ukladaním do vyrovnávacej pamäte, ale do schémy pomenovania bola zaradená dodatočne. Nepomáha to však pochopiť, čo to znamená. Niektoré veci si však zrejme viete domyslieť. Bude to obmedzené na jedno jadro, bude to maličké a bude to rýchle. Druhé meno môže trochu pomôcť; to je mikrooperačná vyrovnávacia pamäť.

Namiesto ukladania údajov z pamäte alebo úplných inštrukcií do vyrovnávacej pamäte L0 ukladá mikrooperácie do vyrovnávacej pamäte. Ako sme nedávno opísali , mikro-op je vlastnosťou moderných CPU. Inštrukcie v x86 a iných ISA sú veľké, zložité a náročné na efektívne začlenenie do potrubia. Môžete ich prepojiť oveľa efektívnejšie, ak ich rozdelíte na jednotlivé mikrooperácie. V niektorých prípadoch môžete dokonca zoskupiť viacero mikrooperácií, dokonca aj z rôznych inštrukcií, do jednej mikrooperácie, čím sa dosiahne zlepšenie výkonu aj zníženie spotreby energie.

CPU Architecture ft Micro-Op Cache

Ak chcete vykonať inštrukciu, moderný CPU ju dekóduje. To zahŕňa rozdelenie inštrukcie na jej základné mikrooperačné operácie a určenie pamäťových miest, na ktoré by sa malo odkazovať. Mnoho softvérov pravidelne využíva podobnú funkciu a často môže znova použiť rovnaký kód v slučke alebo z volanej funkcie. To znamená, že presné pokyny je možné volať znova a znova. To potom znamená, že tie isté mikrooperácie budú volané znova a znova. A ak sú rovnaké mikro-operácie potrebné opakovane, môžu byť uložené do vyrovnávacej pamäte. Mikrooperačné operácie ukladania do vyrovnávacej pamäte môžu znížiť zaťaženie inštrukčných dekodérov, znížiť spotrebu energie alebo pomôcť rýchlejšie zaplniť potrubie.

Cache musí byť udržiavaná malá, ale keď je starostlivo spravovaná, je možné k nej pristupovať s jednou alebo dokonca žiadnou latenciou cyklu. To môže stačiť na to, aby sa predišlo potrebe preberania 4-cyklovej latencie do vyrovnávacej pamäte L1 a prichádza bez penalizácie za vynechanie vyrovnávacej pamäte.

Záver

L0 cache je iný názov pre mikrooperačnú vyrovnávaciu pamäť. Môže byť súčasťou moderných CPU, ktoré využívajú mikrooperácie. Zvyčajne obsahuje niekoľko tisíc záznamov a má kapacity uvedené v počte záznamov a nie v bajtoch. K L0 je možné pristupovať rýchlejšie ako k L1, typicky s 1- alebo 0-cyklovou latenciou. Ukladanie mikrooperácií do vyrovnávacej pamäte znižuje zaťaženie inštrukčných dekodérov, najmä v kóde, ktorý dobre využíva slučky alebo funkcie.