कैश क्या है?

हालाँकि कैश के बारे में कोर जितनी बात नहीं की जाती है, टक्कर मारना (रैंडम एक्सेस मेमोरी), या वीआरएएम, आपने संभवतः इसके बारे में पहले भी सुना होगा, विशेषकर हाल ही में। एएमडी गर्व से अपने गेमिंग प्रदर्शन का विज्ञापन करता है 3डी वी-कैश के साथ राइजेन सीपीयू कैश का उपयोग करने के परिणामस्वरूप, और 13वीं पीढ़ी के रैप्टर लेक सीपीयू के साथ इंटेल के सबसे बड़े सुधारों में से एक अधिक कैश जोड़ना था।

लेकिन जब कैश मेगाबाइट के संदर्भ में मापता है तो वह प्रदर्शन में सुधार कैसे कर सकता है? यहां तक ​​कि आजकल सबसे सस्ते रैम किट भी 16 जीबी के साथ आते हैं, तो केवल कुछ अतिरिक्त मेगाबाइट कैश जोड़ने से प्रदर्शन में इतना बड़ा अंतर कैसे आ सकता है? खैर, कैश आपकी सामान्य प्रकार की मेमोरी नहीं है।

कैश: उच्च गति मेमोरी की एक छोटी मात्रा

कैश वास्तव में प्रोसेसर में एक हालिया विकास है, जो 1990 के दशक में हुआ था, और इसका आविष्कार रैम के कारण हुआ था। रैम कंप्यूटर में एक प्रमुख घटक है जो महत्वपूर्ण मात्रा में डेटा संग्रहीत करता है जिसकी प्रोसेसर (जैसे सीपीयू और जीपीयू) को अक्सर आवश्यकता होती है। लंबे समय तक, रैम के प्रदर्शन में सुधार सीपीयू के प्रदर्शन में सुधार के साथ तालमेल रखता रहा, लेकिन 1990 के दशक तक, यह सामान्य होता जा रहा था। स्पष्ट है कि रैम नवीनतम सीपीयू के साथ तालमेल नहीं बिठा पाएगी। रैम में बहुत अधिक क्षमता थी, लेकिन स्थानांतरण गति बहुत अधिक थी धीमा।

यहीं पर कैश आता है। यह भौतिक रूप से या क्षमता के हिसाब से रैम जितना बड़ा नहीं है, लेकिन यह प्रोसेसर के अंदर ही है और बहुत तेज़ी से और बहुत कम विलंबता पर डेटा स्थानांतरित कर सकता है। जब तक कैश उस डेटा को संग्रहीत कर रहा है जिसकी प्रोसेसर को वास्तव में आवश्यकता है, यह समय बचा सकता है क्योंकि रैम से समान डेटा मांगना कई गुना धीमा है। यह रैम की समस्या का एक बेहतरीन समाधान था और इसने सीपीयू डिजाइनरों को तेज सीपीयू बनाना जारी रखने की अनुमति दी रैम डिजाइनरों को ज्यादा चिंता किए बिना रैम की बड़ी क्षमताएं बनाते रहना चाहिए प्रदर्शन। आज, कैश लगभग हर प्रकार के प्रोसेसर में है।

आप सोच रहे होंगे कि कैश इतना छोटा क्यों है। खैर, इसका अधिकतर संबंध स्थान और धन से है। यहां तक ​​कि 32 एमबी कैश भी एक प्रोसेसर पर काफी जगह ले सकता है, और आधुनिक चिप्स कुल क्षेत्रफल में लगभग 600 मिमी 2 तक सीमित हैं, जिसका उपयोग बुद्धिमानी से किया जाना चाहिए। इसका मतलब है कि कैश के लिए अधिक क्षेत्र समर्पित करना काफी महंगा हो सकता है, और वह स्थिति वास्तव में बदतर होती जा रही है, बेहतर नहीं. नवीनतम विनिर्माण प्रक्रियाओं के परिणामस्वरूप कैश घनत्व में छोटे और छोटे सुधार हो रहे हैं, और TSMC अपनी 3nm प्रक्रिया के पहले पुनरावृत्ति में कैश के आकार को कम करने में विफल रहा।

कैश स्तर और मेमोरी पदानुक्रम

कैश के आविष्कार का मतलब था कि कंप्यूटर में सभी डेटा भंडारण उपकरणों में एक नई परत थी। ये परतें मेमोरी पदानुक्रम कहलाती हैं, जिसे आप ऊपर की छवि में देख सकते हैं और इसका विवरण देख सकते हैं सीपीयू के भीतर एक सामान्य सिस्टम में कौन सी मेमोरी कहाँ जाती है (हालाँकि अन्य प्रकार के प्रोसेसर बहुत अच्छे लगेंगे)। समान)। आज, आधुनिक मेमोरी पदानुक्रम में केवल कैश, रैम और स्थायी स्टोरेज डिवाइस शामिल नहीं हैं, बल्कि कैश के भीतर एक मेमोरी पदानुक्रम भी शामिल है।

अधिकांश प्रोसेसर में विभिन्न उद्देश्यों के लिए कैश के विभिन्न स्तर होते हैं। कैश का पहला और सबसे छोटा स्तर L1 है, जिसे तुरंत आवश्यक डेटा को संसाधित करने के लिए अलग-अलग कोर दिए जाते हैं। L1 कैश को अक्सर किलोबाइट में मापा जाता है, नवीनतम Ryzen 7000 CPU में प्रति कोर 64KB L1 कैश होता है। इसके अतिरिक्त, आधुनिक L1 कैश को अक्सर L1I (निर्देशों के लिए) और L1D (डेटा के लिए) में विभाजित किया जाता है।

अगला है L2, जो अलग-अलग कोर के बजाय कोर के समूह के लिए है। स्वाभाविक रूप से, L2 कैश L1 कैश से बड़ा होता है, अक्सर परिमाण के क्रम से, लेकिन बहुत बड़ा होने और अधिक कोर की सेवा करने का मतलब है कि यह धीमा है और इसमें उच्च विलंबता है। कुछ प्रोसेसर, विशेष रूप से जीपीयू और धीमे सीपीयू, केवल एल2 कैश तक जाएंगे।

अगला चरण L3 है, जो आमतौर पर चिप पर सभी कोर द्वारा उपयोग किया जाता है। इसका आकार प्रोसेसर के आधार पर L2 कैश से कुछ गुना बड़े से लेकर परिमाण के एक क्रम से अधिक तक भिन्न हो सकता है। इसका मतलब यह है कि यह L2 कैश से भी धीमा है लेकिन फिर भी रैम से बेहतर प्रदर्शन करता है। इसके अतिरिक्त, L3 कैश अक्सर "पीड़ित कैश" के रूप में भी कार्य करता है, जहां L1 और L2 कैश से निकाला गया डेटा जाता है। यदि इसकी आवश्यकता नहीं है तो इसे L3 कैश से बाहर निकाला जा सकता है। आज, L3 कैश अपनी चिपलेट तकनीक के कारण AMD के लिए विशेष रूप से महत्वपूर्ण है। Ryzen 3D V-Cache चिप्स में 64MB L3 कैश होता है, और RX 7000 मेमोरी कैश डाइज़ (या MCDs) में प्रत्येक में 16MB L3 कैश होता है।

अधिकांश प्रोसेसर पर देखा जाने वाला कैश का उच्चतम स्तर L4 है, जो अक्सर इतना बड़ा होता है कि यह प्रभावी रूप से RAM होता है। वास्तव में, L4 कैश का उपयोग करने वाले नवीनतम CPU Intel के सैफायर रैपिड्स Xeon चिप्स हैं, जो टॉप-एंड मॉडल पर L4 कैश के रूप में HBM2 का उपयोग करते हैं। दूसरी ओर, एएमडी ने कभी भी एल4 कैश का उपयोग नहीं किया है और इसके बजाय अधिक सीपीयू और वी-कैश चिपलेट्स जोड़कर अपने एल3 कैश को उच्च क्षमता तक बढ़ाने में लगा हुआ है। L4 कैश आमतौर पर एकीकृत GPU को अधिक लाभ पहुंचाता है, क्योंकि यह एक ऑन-डाई समाधान है जो CPU और एकीकृत GPU के बीच डेटा साझा कर सकता है।

कुछ चिपसेट में, मुख्य रूप से मोबाइल वाले में, एक अन्य प्रकार का कैश होता है: सिस्टम-स्तरीय कैश (एसएलसी)। फिर इस कैश का उपयोग संपूर्ण चिपसेट, जैसे GPU, NPU और CPU में किया जाता है। एक कैश मुख्य मेमोरी में अनुरोधों की आवश्यकता को प्रतिस्थापित कर सकता है, इसलिए एक एसएलसी पूरे एसओसी को लाभ पहुंचाता है।

कैश आवश्यक है लेकिन अपने आप प्रदर्शन में सुधार नहीं करता है

कैश में हाल के नवाचारों को लेकर तमाम प्रचार के बावजूद, यह प्रदर्शन के लिए कोई उम्मीद की किरण नहीं है। आख़िरकार, कैश में कोई प्रोसेसिंग क्षमता नहीं है; यह सिर्फ डेटा संग्रहीत करता है, और बस इतना ही। हालाँकि प्रत्येक प्रोसेसर को अधिक कैश होने से निश्चित रूप से लाभ हो सकता है, लेकिन आवश्यक मात्रा से अधिक जोड़ना अक्सर बहुत महंगा होता है। अधिक कैश जोड़ने से कार्यभार के आधार पर प्रदर्शन में सुधार भी नहीं हो सकता है, जो प्रोसेसर पर बहुत अधिक भार न डालने के लिए एक अतिरिक्त प्रोत्साहन है।

ऐसा कहा जा रहा है कि, कुछ स्थितियों में बड़ी मात्रा में कैश जोड़ने में सक्षम होना वांछनीय हो सकता है। उदाहरण के लिए, बहुत अधिक कैश वाले सीपीयू गेम में बेहतर प्रदर्शन करते हैं। 3डी वी-कैश के साथ एएमडी के रायज़ेन सीपीयू वी-कैश के बिना चिप्स की तुलना में कम आवृत्ति होने के बावजूद गेमिंग के लिए काफी तेज़ हैं, और इंटेल के 13वीं पीढ़ी के सीपीयू 12वीं पीढ़ी के चिप्स की तुलना में काफी तेज़ हैं, जिसमें एकमात्र बड़ा सुधार एक बड़ा सुधार है कैश.

अंततः, कैश मौजूद होता है इसलिए प्रोसेसर जितनी बार संभव हो रैम को बायपास कर सकते हैं और प्रदर्शन यथासंभव अनियंत्रित हो सकता है। सीपीयू डिजाइनरों को कैश क्षमता को आकार और विस्तार से लागत के साथ संतुलित करना होता है, जो नई विनिर्माण प्रक्रियाओं की प्रत्येक पीढ़ी के साथ और अधिक कठिन होता जा रहा है। भले ही कैश के आविष्कार के दशकों बाद प्रोसेसर में कैश जोड़ने के नए तरीके पेश किए जा रहे हैं, लेकिन यह कल्पना करना कठिन है कि प्रोसेसर के इस प्रमुख घटक का उद्देश्य कभी बदल जाएगा।