Шта је кеш меморија?

Иако се о кешу не говори толико колико о језгрима, РАМ (Меморија случајног приступа), или ВРАМ, вероватно сте чули за то раније, посебно недавно. АМД поносно рекламира перформансе игара за своје Ризен процесори са 3Д В-кеш меморијом као резултат коришћења кеш меморије, а једно од Интелових највећих побољшања са 13. генерацијом Раптор Лаке ЦПУ-а било је додавање више кеша.

Али како кеш може побољшати перформансе када се мери у мегабајтима? Чак и најјефтинији РАМ комплети ових дана долазе са 16 ГБ, па како додавање само неколико додатних мегабајта кеша може да направи тако велику разлику у перформансама? Па, кеш није ваша нормална врста меморије.

Кеш меморија: Мала количина меморије велике брзине

Кеш меморија је заправо прилично недавни развој процесора, који датира из 1990-их, а измишљен је због РАМ-а. РАМ је кључна компонента у рачунарима која складишти значајну количину података за које се очекује да ће процесори (као што су ЦПУ и ГПУ) прилично често бити потребни. Дуго времена, побољшања у перформансама РАМ-а ишла су у корак са побољшањима у перформансама ЦПУ-а, али до 1990-их то је постајало очигледно да РАМ неће моћи да иде у корак са најновијим ЦПУ-има. РАМ је имао много капацитета, али и брзине преноса су биле превише спор.

Ево где долази кеш меморија. Није ни приближно тако велик као РАМ ни физички ни по капацитету, али је унутар самог процесора и може да преноси податке веома брзо и са веома малим кашњењем. Све док кеш меморија чува податке који су процесору заиста потребни, може уштедети време јер је тражење истих података у РАМ меморији много пута спорије. Било је то одлично решење за проблем РАМ меморије и омогућило је дизајнерима процесора да наставе да праве брже процесоре и Дизајнери РАМ-а да наставе да праве веће капацитете РАМ-а без потребе да брину о томе перформансе. Данас је кеш меморија у скоро свакој врсти процесора.

Можда се питате зашто је кеш тако мали. Па, то углавном има везе са простором и новцем. Чак и 32 МБ кеш меморије може заузети доста простора на процесору, а модерни чипови су ограничени на отприлике 600 мм2 укупне површине, што се мора мудро користити. То значи да посвећивање веће површине кешу може бити прилично скупо, и та ситуација се заправо погоршава, а не побољшава. Најновији производни процеси резултирају све мањим и мањим побољшањима у густини кеша, а ТСМЦ уопште није успео да смањи величину кеша у првој итерацији свог 3нм процеса.

Нивои кеша и хијерархија меморије

Изум кеш меморије значио је да постоји нови слој за све уређаје за складиштење података у рачунару. Ови слојеви формирају оно што се зове хијерархија меморије, коју можете видети на горњој слици и садржи детаље која меморија иде где у типичном систему унутар ЦПУ-а (иако ће друге врсте процесора изгледати веома слично). Данас модерна меморијска хијерархија не укључује само кеш меморију, РАМ и трајне уређаје за складиштење, већ и хијерархију меморије унутар саме кеш меморије.

Већина процесора има различите нивое кеша за различите сврхе. Први и најмањи ниво кеша је Л1, који добија појединачна језгра за обраду података који су одмах потребни. Л1 кеш меморија се често мери у килобајтима, а најновији Ризен 7000 ЦПУ-и имају 64 КБ Л1 кеш меморије по језгру. Поред тога, модерна Л1 кеш меморија се често даље дели на Л1И (за упутства) и Л1Д (за податке).

Следећи је Л2, који је за групу језгара, а не за појединачна. Наравно, Л2 кеш је већи од Л1 кеш меморије, често за ред величине, али то што је много већи и мора да опслужује више језгара значи да је спорији и има веће кашњење. Неки процесори, посебно ГПУ-и и спорији ЦПУ-и, ићи ће само до Л2 кеша.

Следећи корак је Л3, који генерално користе сва језгра на чипу. Његова величина може варирати од неколико пута веће од Л2 кеш меморије до више од реда величине, у зависности од процесора. То значи да је чак и спорији од Л2 кеш меморије, али и даље надмашује РАМ. Поред тога, Л3 кеш такође често делује као „кеш за жртве“, где иду подаци избачени из Л1 и Л2 кеша. Можда ће бити додатно избачен из Л3 кеша ако није потребан. Данас је Л3 кеш посебно важан за АМД због његове чиплет технологије. Ризен 3Д В-Цацхе чипови садрже 64МБ Л3 кеш меморије, а РКС 7000 Мемори Цацхе Дие (или МЦД) садрже по 16МБ Л3 кеш меморије.

Највиши ниво кеш меморије који се види на већини процесора је Л4, који је често толико велик да је заправо РАМ. У ствари, најновији процесори који користе Л4 кеш меморију су Интелови Саппхире Рапидс Ксеон чипови, који користе ХБМ2 као Л4 кеш меморију на врхунским моделима. АМД, с друге стране, никада није користио Л4 кеш меморију и уместо тога је задовољан повећањем своје Л3 кеш меморије на високе капацитете додавањем више ЦПУ и В-Цацхе чипова. Л4 кеш обично више користи интегрисаним ГПУ-има, јер је он-дие решење које може да дели податке између ЦПУ-а и интегрисаног ГПУ-а.

У неким скуповима чипова, првенствено мобилним, постоји још један тип кеша: кеш на нивоу система (СЛЦ). Овај кеш се затим користи у целом чипсету, као што су ГПУ, НПУ и ЦПУ. Кеш може да замени потребу за захтевима за главну меморију, тако да СЛЦ користи целом СоЦ-у.

Кеш је неопходан, али не побољшава перформансе сам по себи

Упркос свом узбуђењу око недавних иновација у кешу, то није сребрни метак за перформансе. На крају крајева, у кешу нема могућности обраде; само чува податке, и то је то. Иако сваки процесор може имати апсолутну корист од више кеш меморије, често је прескупо додати више од тачно потребне количине. Додавање више кеш меморије можда неће чак ни побољшати перформансе у зависности од оптерећења, што је додатни подстицај да не стављате тону на процесор.

Имајући то у виду, могућност додавања велике количине кеша може бити пожељна у одређеним ситуацијама. На пример, процесори са пуно кеша имају тенденцију да боље раде у играма. АМД-ови Ризен процесори са 3Д В-Цацхе-ом су прилично брзи за играње игара упркос томе што имају нижу фреквенцију од чипова без В-Цацхе-а, и Интелови процесори 13. генерације су знатно бржи од чипова 12. генерације, а једино велико побољшање је проширење цацхе.

На крају крајева, кеш меморија постоји тако да процесори могу заобилазити РАМ што је чешће могуће, а перформансе могу бити што је могуће мање ограничене. Дизајнери ЦПУ-а морају да уравнотеже капацитет кеша са величином и, самим тим, трошковима, што постаје све теже са сваком генерацијом нових производних процеса. Иако се нови начини додавања кеша у процесоре уводе деценијама након што је кеш изумљен, тешко је замислити да ће се сврха ове кључне компоненте процесора икада променити.