На что влияет кэш процессора L1 L2 L3

Компьютерные процессоры сделали значительный рывок в развитии за последние несколько лет. Размер транзисторов с каждым годом уменьшается, а производительность растет. При этом закон Мура уже становится неактуальным. Что касается производительности процессоров, то следует учитывать, не только количество транзисторов и частоту, но и объем кэша.

Возможно, вы уже слышали о кэш памяти когда искали информацию о процессорах. Но, обычно, мы не обращаем много внимания на эти цифры, они даже не сильно выделяются в рекламе процессоров. Давайте разберемся на что влияет кэш процессора, какие виды кэша бывают и как все это работает.

Что такое кэш процессора?

Если говорить простыми словами, то кэш процессора это просто очень быстрая память. Как вы уже знаете, у компьютера есть несколько видов памяти. Это постоянная память, которая используется для хранения данных, операционной системы и программ, например, SSD или жесткий диск. Также в компьютере используется оперативная память. Это память со случайным доступом, которая работает намного быстрее, по сравнению с постоянной. И наконец у процессора есть ещё более быстрые блоки памяти, которые вместе называются кэшем.

Если представить память компьютера в виде иерархии по её скорости, кэш будет на вершине этой иерархии. К тому же он ближе всего к вычислительным ядрам, так как является частью процессора.

Кэш память процессора представляет из себя статическую память (SRAM) и предназначен для ускорения работы с ОЗУ. В отличие от динамической оперативной памяти (DRAM), здесь можно хранить данные без постоянного обновления.

Как работает кэш процессора?

Как вы, возможно, уже знаете, программа — это набор инструкций, которые выполняет процессор. Когда вы запускаете программу, компьютеру надо перенести эти инструкции из постоянной памяти в процессору. И здесь вступает в силу иерархия памяти. Сначала данные загружаются в оперативную память, а потом передаются в процессор.

В наши дни процессор может обрабатывать огромное количество инструкций в секунду. Чтобы по максимуму использовать свои возможности, процессору необходима супер быстрая память. Поэтому был разработан кэш.

Контроллер памяти процессора выполняет работу по получению данных из ОЗУ и отправке их в кэш. В зависимости от процессора, используемого в вашей системе, этот контроллер может быть размещен в северном мосту материнской плате или в самом процессоре. Также кэш хранит результаты выполнения инструкций в процессоре. Кроме того, в самом кэше процессора тоже есть своя иерархия.

Уровни кэша процессора — L1, L2 и L3

Веся кэш память процессора разделена на три уровни: L1, L2 и L3. Эта иерархия тоже основана на скорости работы кэша, а также на его объеме.

• L1 Cache (кэш первого уровня) — это максимально быстрый тип кэша в процессоре. С точки зрения приоритета доступа, этот кэш содержит те данные, которые могут понадобиться программе для выполнения определенной инструкции;
• L2 Cache (кэш второго уровня процессора) — медленнее, по сравнению L1, но больше по размеру. Его объем может быть от 256 килобайт до восьми мегабайт. Кэш L2 содержит данные, которые, возможно, понадобятся процессору в будущем. В большинстве современных процессоров кэш L1 и L2 присутствуют на самих ядрах процессора, причём каждое ядро получает свой собственный кэш;
• L3 Cache (кэш третьего уровня) — это самый большой и самый медленный кэш. Его размер может быть в районе от 4 до 50 мегабайт. В современных CPU на кристалле выделяется отдельное место под кэш L3.

На данный момент это все уровни кэша процессора, компания Intel пыталась создать кэш уровня L4, однако, пока эта технология не прижилась.

Для чего нужен кэш в процессоре?

Пришло время ответить на главный вопрос этой статьи, на что влияет кэш процессора? Данные поступают из ОЗУ в кэш L3, затем в L2, а потом в L1. Когда процессору нужны данные для выполнения операции, он пытается их найти в кэше L1 и если находит, то такая ситуация называется попаданием в кэш. В противном случае поиск продолжается в кэше L2 и L3. Если и теперь данные найти не удалось, выполняется запрос к оперативной памяти.

Теперь мы знаем, что кэш разработан для ускорения передачи информации между оперативной памятью и процессором. Время, необходимое для того чтобы получить данные из памяти называется задержкой (Latency). Кэш L1 имеет самую низкую задержку, поэтому он самый быстрый, кэш L3 — самую высокую. Когда данных в кэше нет, мы сталкиваемся с еще более высокой задержкой, так как процессору надо обращаться к памяти.

Раньше, в конструкции процессоров кєши L2 и L3 были были вынесены за пределы процессора, что приводило к высоким задержкам. Однако уменьшение техпроцесса, по которому изготавливаются процессоры позволяет разместить миллиарды транизисторов в пространстве, намного меньшем, чем раньше. Как результат, освободилось место, чтобы разместить кэш как можно ближе к ядрам, что ещё больше уменьшает задержку.

Как кэш влияет на производительность?

Влияние кэша на произвоидтельность компьютера напрямую зависит от его эффективности и количества попаданий в кэш. Ситуации, когда данных в кэше не оказывается очень сильно снижают общую производительность.

Представьте, что процессор загружает данные из кэша L1 100 раз подряд. Если процент попаданий в кэш будет 100%, процессору понадобиться 100 наносекунд чтобы получить эти данные. Однако, как только процент попаданий уменьшится до 99%, процессору нужно будет извлечь данные из кэша L2, а там уже задержка 10 наносекунд. Получится 99 наносекунд на 99 запросов и 10 наносекунд на 1 запрос. Поэтому уменьшение процента попаданий в кэш на 1% снижает производительность процессора 10%.

В реальном времени процент попаданий в кэш находится между 95 и 97%. Но как вы понимаете, разница в производительности между этими показателями не в 2%, а в 14%. Имейте в виду, что в примере, мы предполагаем, что прощенные данные всегда есть в кэше уровня L2, в реальной жизни данные могут быть удалены из кэша, это означает, что их придется получать из оперативной памяти, у которой задержка 80-120 наносекунд. Здесь разница между 95 и 97 процентами ещё более значительная.

Низкая производительность кэша в процессорах AMD Bulldozer и Piledriver была одной из основных причин, почему они проигрывали процессорам Intel. В этих процессорах кэш L1 разделялся между несколькими ядрами, что делало его очень не эффективным. В современных процессорах Ryzen такой проблемы нет.

Можно сделать вывод, чем больше объем кэша, тем выше производительность, поскольку процессор сможет получить в большем количестве случаев нужные ему данные быстрее. Однако, стоит обращать внимание не только на объем кэша процессора, но и на его архитектуру.

Выводы

Теперь вы знаете за что отвечает кэш процессора и как он работает. Дизайн кэша постоянно развивается, а память становится быстрее и дешевле. Компании AMD и Intel уже провели множество экспериментов с кэшем, а в Intel даже пытались использовать кэш уровня L4. Рынок процессоров развивается куда быстрее, чем когда-либо. Архитектура кэша будет идти в ногу с постоянно растущей мощностью процессоров.

Кроме того, многое делается для устранения узких мест, которые есть у современных компьютеров. Уменьшение задержки работы с памятью одна из самых важных частей этой работы. Будущее выглядит очень многообещающе.