מה זה מטמון?

למרות שלא מדברים על מטמון כמו על ליבות, RAM (זיכרון גישה אקראית), או VRAM, בטח שמעתם על זה בעבר, במיוחד לאחרונה. AMD מפרסמת בגאווה את ביצועי המשחקים שלה מעבדי Ryzen עם 3D V-Cache כתוצאה משימוש במטמון, ואחד השיפורים הגדולים ביותר של אינטל עם מעבדי הדור ה-13 של Raptor Lake היה הוספת מטמון נוסף.

אבל איך מטמון יכול לשפר את הביצועים כאשר הוא מודד במונחים של מגה בייט? אפילו ערכות ה-RAM הזולות ביותר מגיעות עם 16GB בימינו, אז איך הוספת רק כמה מגה-בייט נוספים של מטמון יכולה לעשות הבדל כל כך גדול בביצועים? ובכן, מטמון הוא לא סוג הזיכרון הרגיל שלך.

מטמון: כמות זעירה של זיכרון במהירות גבוהה

מטמון הוא למעשה פיתוח די עדכני במעבדים, שראשיתו בשנות ה-90, והוא הומצא בגלל זיכרון RAM. זיכרון RAM הוא רכיב מפתח במחשבים המאחסן כמות משמעותית של נתונים שמעבדים (כמו CPUs ו-GPUs) צפויים להזדקק להם לעתים קרובות למדי. במשך זמן רב, שיפורים בביצועי זיכרון RAM עקבו אחר שיפורים בביצועי המעבד, אך בשנות ה-90, זה הפך להיות ברור ש-RAM לא יוכל לעמוד בקצב המעבדים העדכניים ביותר. ל-RAM הייתה קיבולת רבה, אבל מהירויות ההעברה היו פשוט מדי לְהַאֵט.

כאן נכנס המטמון. הוא לא כמעט גדול כמו זיכרון RAM לא פיזית ולא לפי קיבולת, אבל הוא נמצא בתוך המעבד עצמו ויכול להעביר נתונים במהירות רבה ובזמן חביון נמוך מאוד. כל עוד המטמון מאחסן את הנתונים שהמעבד באמת צריך, זה יכול לחסוך זמן מכיוון שבקשת RAM עבור אותם נתונים היא איטית פי כמה. זה היה פתרון מצוין לבעיית ה-RAM ואיפשר למעצבי CPU להמשיך לייצר מעבדים מהירים יותר ו מעצבי זיכרון RAM ימשיכו לייצר קיבולות גדולות יותר של זיכרון RAM מבלי לדאוג כל כך ביצועים. כיום, המטמון נמצא כמעט בכל סוג של מעבד.

אולי אתה תוהה מדוע המטמון כל כך זעיר. ובכן, זה בעיקר קשור למקום וכסף. אפילו 32MB של מטמון יכול לתפוס לא מעט מקום במעבד, והשבבים המודרניים מוגבלים לשטח כולל של כ-600 מ"מ, שיש להשתמש בהם בחוכמה. זה אומר שהקדשת שטח נוסף למטמון יכולה להיות די יקרה, ו המצב הזה ממש מחמיר, לא טוב יותר. תהליכי הייצור האחרונים מביאים לשיפורים קטנים יותר ויותר בצפיפות המטמון, ו-TSMC לא הצליחה לצמצם את גודל המטמון בכלל באיטרציה הראשונה של תהליך ה-3nm שלה.

רמות מטמון והיררכיית הזיכרון

המצאת המטמון פירושה שיש שכבה חדשה לכל התקני אחסון הנתונים במחשב. שכבות אלו יוצרות את מה שנקרא היררכיית הזיכרון, אותה ניתן לראות בתמונה למעלה, והיא מפרטת איזה זיכרון הולך לאן במערכת טיפוסית בתוך מעבד (אם כי סוגים אחרים של מעבדים ייראו מאוד דוֹמֶה). כיום, היררכיית הזיכרון המודרנית אינה כוללת רק מטמון, זיכרון RAM והתקני אחסון קבועים אלא גם היררכיית זיכרון בתוך המטמון עצמו.

לרוב המעבדים יש רמות שונות של מטמון למטרות שונות. הרמה הראשונה והקטנה ביותר של מטמון היא L1, אשר ניתנת לו ליבות בודדות לעיבוד נתונים הנדרשים באופן מיידי. מטמון L1 נמדד לעתים קרובות בקילו-בייט, כאשר למעבדי Ryzen 7000 האחרונים יש 64KB של מטמון L1 לכל ליבה. בנוסף, מטמון L1 המודרני מחולק לעתים קרובות יותר ל-L1I (להוראות) ו-L1D (לנתונים).

הבא הוא L2, המיועד לקבוצה של ליבות ולא בודדות. מטבע הדברים, מטמון L2 גדול יותר מהמטמון L1, לרוב בסדר גודל, אך היותו גדול בהרבה והצורך לשרת יותר ליבות פירושו שהוא איטי יותר ובעל זמן אחזור גבוה יותר. מעבדים מסוימים, במיוחד GPUs ומעבדים איטיים יותר, יעלו רק למטמון L2.

השלב הבא הוא L3, המשמש בדרך כלל את כל הליבות בשבב. גודלו יכול להשתנות בין פי כמה מהמטמון L2 ליותר מסדר גודל גדול יותר, תלוי במעבד. זה אומר שהוא אפילו איטי יותר ממטמון L2 אבל עדיין עולה על ביצועי ה-RAM. בנוסף, מטמון L3 פועל לעתים קרובות גם כ"מטמון קורבן", וזה המקום אליו מגיעים נתונים המפונים ממטמון L1 ו-L2. זה עשוי להיות מגורש עוד יותר מהמטמון L3 אם זה לא נחוץ. כיום, מטמון L3 חשוב במיוחד ל-AMD בגלל טכנולוגיית השבבים שלה. שבבי Ryzen 3D V-Cache מכילים 64MB של מטמון L3, ו-RX 7000 Memory Cache Dies (או MCDs) מכילים 16MB של L3 מטמון כל אחד.

רמת המטמון הגבוהה ביותר שנראתה ברוב המעבדים היא L4, שלעתים קרובות הוא כל כך גדול שהוא למעשה זיכרון RAM. למעשה, המעבדים העדכניים ביותר להשתמש ב-L4 cache הם שבבי Sapphire Rapids Xeon של אינטל, המשתמשים ב-HBM2 כמטמון L4 בדגמים מובילים. AMD, לעומת זאת, מעולם לא השתמשה במטמון L4 ובמקום זאת מסתפקת בהגדלת המטמון L3 שלה ליכולות גבוהות על ידי הוספת שבבי CPU ו-V-Cache נוספים. מטמון L4 בדרך כלל מועיל יותר עם GPUs משולבים, מכיוון שהוא פתרון על המות שיכול לשתף נתונים בין ה-CPU ל-GPU המשולב.

בכמה ערכות שבבים, בעיקר ניידות, קיים סוג נוסף של מטמון: מטמון ברמת המערכת (SLC). לאחר מכן נעשה שימוש במטמון זה בכל ערכת השבבים, כגון GPU, NPU ו-CPU. מטמון יכול להחליף את הצורך בבקשות לזיכרון הראשי, כך ש-SLC מועיל לכל ה-SoC.

מטמון נחוץ אך אינו משפר את הביצועים בפני עצמו

למרות כל ההייפ סביב החידושים האחרונים בתחום המטמון, זה לא כדור כסף לביצועים. אחרי הכל, אין יכולת עיבוד במטמון; זה רק מאחסן נתונים, וזהו. למרות שכל מעבד בהחלט יכול להפיק תועלת מבעל יותר מטמון, לעתים קרובות זה יקר מדי להוסיף יותר מהכמות הדרושה בדיוק. הוספת עוד מטמון עשויה אפילו לא לשפר את הביצועים בהתאם לעומס העבודה, וזה תמריץ נוסף לא לשים הרבה על מעבד.

עם זאת, היכולת להוסיף כמות גדולה של מטמון יכולה להיות רצויה במצבים מסוימים. מעבדים עם הרבה מטמון נוטים לתפקד טוב יותר במשחקים, למשל. מעבדי Ryzen של AMD עם 3D V-Cache הם די מהירים למשחקים למרות שהם בעלי תדר נמוך יותר מאשר שבבים ללא V-Cache, ו מעבדי הדור ה-13 של אינטל מהירים משמעותית מהשבבים של הדור ה-12, כאשר השיפור הגדול היחיד הוא הגדלה מטמון.

בסופו של דבר, המטמון קיים כך שמעבדים יכולים לעקוף את זיכרון ה-RAM בתדירות גבוהה ככל האפשר והביצועים יכולים להיות חסרי מעצורים ככל האפשר. מתכנני מעבדים צריכים לאזן בין קיבולת המטמון לבין הגודל, ובהמשך, העלות, מה שנעשה קשה יותר עם כל דור של תהליכי ייצור חדשים. למרות שדרכים חדשות להוספת מטמון למעבדים מוצגות עשרות שנים לאחר המצאת המטמון, קשה לדמיין שהמטרה של רכיב מפתח זה של מעבדים תשתנה אי פעם.