¿Cómo funciona CPU Cache y qué son L1, L2 y L3?

Los procesadores de computadora han avanzado bastante en los últimos años, con el tamaño de los transistores disminuyendo cada año, y los avances alcanzan un punto donde la Ley de Moore se está volviendo redundante rápidamente.

Cuando se trata de procesadores, no solo cuentan los transistores y las frecuencias, sino también el caché.

Es posible que haya oído hablar de la memoria caché cuando se discuten las CPU (Unidades centrales de procesamiento). Sin embargo, no prestamos demasiada atención a estos números, ni son realmente el punto culminante principal de los anuncios de estas CPU.

Entonces, ¿qué tan importante es el caché de la CPU y cómo funciona??

¿Qué es la caché de la CPU??

En pocas palabras, un caché es solo un tipo de memoria realmente rápido. Como sabrás, una computadora tiene múltiples tipos de memoria en su interior. Hay un almacenamiento primario, como un disco duro o un SSD, que almacena la mayor parte de los datos: el sistema operativo y todos los programas.

A continuación, tenemos la memoria de acceso aleatorio, comúnmente conocida como RAM. Esto es mucho más rápido que el almacenamiento primario.

Por último, la CPU tiene unidades de memoria aún más rápidas dentro de sí misma, lo que conocemos como caché.

La memoria en una computadora tiene una jerarquía, basada en la velocidad, y el caché se encuentra en la parte superior de esta jerarquía, siendo el más rápido. También es el más cercano al lugar donde se produce el procesamiento central, ya que forma parte de la CPU..

La memoria caché es una RAM estática (SRAM), en comparación con la RAM del sistema, que es una RAM dinámica (DRAM). La RAM estática es una que puede almacenar datos sin necesidad de actualizarse constantemente, a diferencia de la DRAM, lo que hace que la SRAM sea ideal para el caché.

¿Cómo funciona la memoria caché de la CPU??

Como ya sabrás, un programa está diseñado como un conjunto de instrucciones, para ser ejecutado por la CPU. Cuando ejecuta un programa, estas instrucciones deben pasar del almacenamiento primario a la CPU. Aquí es donde entra en juego la jerarquía de la memoria..

Los datos primero se cargan en la RAM y luego se envían a la CPU. Las CPU en estos días son capaces de llevar a cabo una cantidad gigantesca de instrucciones por segundo. Para aprovechar al máximo su potencia, la CPU necesita acceso a memoria súper rápida. Aquí es donde entra el caché.

El controlador de memoria hace el trabajo de tomar los datos de la RAM y enviarlos al caché. Dependiendo de qué CPU esté en su sistema, este controlador puede estar en el conjunto de chips North Bridge en la placa base o dentro de la misma CPU.

El caché lleva a cabo el intercambio de datos dentro de la CPU. La jerarquía de memoria también existe dentro del caché.

(Si está interesado en saber cómo funciona la CPU en sí, consulte nuestro artículo que explica los conceptos básicos de la CPU ¿Qué es una CPU y qué hace? ¿Qué es una CPU y qué hace? Acrónimos de computación son confusos. ¿Qué es ¿una CPU de todos modos? ¿Y necesito un procesador de cuatro o dos núcleos? ¿Qué tal AMD o Intel? ¡Estamos aquí para ayudar a explicar la diferencia!)

Los niveles de caché: L1, L2 y L3

El caché de la CPU se divide en tres 'Niveles' principales, L1, L2 y L3. La jerarquía aquí es de nuevo según la velocidad y, por lo tanto, el tamaño de la memoria caché..

El caché L1 (Nivel 1) es la memoria más rápida que está presente en un sistema informático. En términos de prioridad de acceso, el caché L1 tiene los datos que la CPU probablemente necesitará al completar una tarea determinada.

En cuanto al tamaño, el caché L1 generalmente sube a 256 KB. Sin embargo, algunas CPU realmente potentes ahora lo llevan cerca de 1 MB. Algunos conjuntos de chips de servidor (como las CPU Xeon de gama alta de Intel) ahora tienen entre 1-2 MB de caché L1.

El caché L1 también suele dividirse de dos maneras, en el caché de instrucciones y el caché de datos. La memoria caché de instrucciones trata con la información sobre la operación que la CPU debe realizar, mientras que la memoria caché de datos contiene los datos en los que se realizará la operación..

Crédito de imagen: Intel

El caché L2 (Nivel 2) es más lento que el caché L1, pero de mayor tamaño. Su tamaño generalmente varía entre 256 KB a 8 MB, aunque las CPU más nuevas y potentes tienden a pasar de eso. El caché L2 contiene datos a los que es probable que acceda la CPU a continuación. En la mayoría de las CPU modernas, los cachés L1 y L2 están presentes en los núcleos de la CPU, y cada núcleo obtiene su propio caché.

El caché L3 (Nivel 3) es la unidad de memoria caché más grande y también la más lenta. Puede oscilar entre 4 MB y más de 50 MB. Las CPU modernas tienen espacio dedicado en la matriz de CPU para el caché L3, y ocupa una gran parte del espacio.

Caché Hit o Miss y Latencia

Los datos fluyen desde la RAM al caché L3, luego al L2 y finalmente al L1. Cuando el procesador busca datos para llevar a cabo una operación, primero intenta encontrarlos en la memoria caché L1. Si la CPU puede encontrarlo, la condición se llama un acierto de caché. Luego procede a encontrarlo en L2, y luego L3.

Si no encuentra los datos, intenta acceder a ellos desde la memoria principal. Esto se llama una falta de caché.

Ahora, como sabemos, el caché está diseñado para acelerar el intercambio de información entre la memoria principal y la CPU. El tiempo necesario para acceder a los datos desde la memoria se llama Latencia. L1 tiene la latencia más baja, siendo la más rápida y más cercana al núcleo, y L3 tiene la más alta. La latencia aumenta mucho cuando hay una falta de caché. Esto se debe a que la CPU tiene que obtener los datos de la memoria principal.

A medida que las computadoras se vuelven más rápidas y mejores, estamos viendo una disminución en la latencia. Ahora tenemos RAM DDR4 de baja latencia y SSD súper rápidas con tiempos de acceso bajos como almacenamiento primario, que reducen significativamente la latencia general. Si desea saber más sobre cómo funciona la RAM, aquí está nuestra guía rápida y sucia de RAM Una guía rápida y sucia de RAM: lo que necesita saber Una guía rápida y sucia de RAM: lo que necesita saber La RAM es crucial componente de cada computadora, pero puede ser confuso. Lo desglosamos en términos fáciles de entender que comprenderá. .

Anteriormente, los diseños de caché solían tener los cachés L2 y L3 fuera de la CPU, lo que tenía un efecto negativo en la latencia.

Sin embargo, los avances en los procesos de fabricación relacionados con los transistores de CPU han permitido instalar miles de millones de transistores en un espacio más pequeño que antes. Como resultado, queda más espacio para el caché, lo que permite que el caché esté lo más cerca posible del núcleo, reduciendo significativamente la latencia.

El futuro de la caché

El diseño de caché siempre está evolucionando, especialmente a medida que la memoria se vuelve más barata, más rápida y más densa. Intel y AMD han tenido una buena cantidad de experimentación con diseños de caché, e Intel incluso experimentó con un caché L4. El mercado de CPU avanza más rápido que nunca.

Con eso, estamos obligados a ver que el diseño de caché se mantiene al día con la potencia cada vez mayor de las CPU.

Además, se está haciendo mucho para reducir los cuellos de botella que tienen las computadoras modernas. La reducción de la latencia de la memoria es quizás la mayor parte de ella. La industria está trabajando para encontrar soluciones para lo mismo, y el futuro parece realmente prometedor..

Es posible que incluso haya escuchado sobre Intel Optane, que se puede usar como una especie de caché externa híbrida. Si no lo ha hecho, consulte nuestro artículo que explora las posibles aplicaciones de Intel Optane. ¿Es la memoria Intel Optane RAM DDR3 barata? ¿Es la memoria Intel Optane DDR3 RAM barata? ¿Se pregunta de qué se trata la memoria Optane de Intel? ¿Es RAM barata o algo más? Esto es lo que necesitas saber. .