Кэш-память процессора. Уровни и принципы функционирования

Категория: Периферия

Выбирая процессор, рядовой покупатель в первую очередь смотрит на такие характеристики, как количество ядер и тактовую частоту. Но есть и ещё один важный параметр, который следует учитывать при покупке — объем кэш памяти.

Итак, насколько важна эта характеристика и как влияет на скорость вычислений?

Зачем нужна кэш память

В компьютере используется несколько типов памяти. Всем известны HDD/SSD для долгосрочного хранения информации и ОЗУ (RAM), которая при потере питания сбрасывает всё содержимое. Важное различие между ними — это скорость доступа к данным.

Для общего понимания следует знать, что программы состоят из набора команд. При запуске, они копируются с жесткого диска в оперативную память, а процессору указывается адрес ячейки, где находится стартовая команда. Выполнив её, результат записывается опять в оперативную память. Именно так всё работает, если отбросить важную деталь.

Процессоры давно способны выполнять такое количество команд в секунду, что их доставка из ОЗУ тормозит ход работы. Чтобы минимизировать эти задержки, задействуется сверхбыстрая кэш память и специальный контроллер внутри самого процессора. Контроллер по сложным алгоритмам предугадывает, какие данные в ближайшее время могут понадобиться и копирует их в кэш. Но на этом всё не заканчивается. Поступившие данные распределяются по уровням.

Уровни кэша: L1, L2 и L3

Кэш процессора разделен на три основных уровня: L1, L2 и L3. Отличаются они скоростью доступа и размером.

• Кэш L1 (уровень 1) — это самая быстрая память которая присутствует в компьютере. С точки зрения приоритета, L1 содержит данные и команды, которые понадобятся в первую очередь. Размер обычно достигает 256 КБ, хотя некоторые топовые процессоры (типа Intel Xeon) могут иметь более 1 МБ.
• Кэш L2 (уровень 2) медленнее, но больше по размеру. Объем в диапазоне от 256 КБ до 8 МБ. Содержит данные, которые также могут скоро потребоваться, но не уместились в L1. Память первых двух уровней встроена прямо в ядро процессора. То есть, у каждого ядра она своя.
• Кэш L3 (уровень 3) — самая медленная из них, но и самая большая. Размер может достигать 62 МБ. Физически располагается внутри кристалла процессора, что позволяет обращаться к её содержимому намного быстрее, чем к ячейкам оперативной памяти.

Когда процессор ищет данные для выполнения операции, он последовательно начинает просматривать все уровни, начиная с L1 и заканчивая L3. Если поиск завершился неудачей, то приходиться обращаться к оперативной памяти, а это вызывает задержку в работе. Поэтому, чем объемней кэш, тем больше вероятность нахождения в нем нужных данных, а значит меньше задержек.

Влияние на скорость работы

Размер кэш памяти влияет на скорость работы программ, но почти всегда этот прирост незначителен за счет массы других факторов. Например, если производитель вдруг увеличит у конкретной модели процессора кэш L3 с 4 МБ до 8 МБ, то в лучшем случае, при выполнении некоторых приложений, получим прирост производительности на 10%. А при обычной работе это будет всего около 2%.

Таким образом, можно сделать вывод, что ориентироваться на объем кэш памяти при покупке процессора стоит в последнюю очередь. Хотя прогресс не стоит на месте и появляются новые идеи в устранении задержек при работе с данными. Например, компания Intel уже провела ряд экспериментов по внедрению кэша 4 уровня и останавливаться на этом не собирается.

Пример объема L3 буфера разных процессоров и их средняя цена:

Визуализация работы:

Зачем нужен кэш и как он влияет на производительность?

Современный процессор является сложным устройством, которое выполняет множество действий для решения поставленной задачи. И делает это всё современный процессор очень быстро. Настолько, что даже несмотря на название «оперативная память», память эта недостаточно оперативная. Если бы процессор всегда ждал данных из оперативной памяти, то ему приходилось бы простаивать по несколько десятков, а временами, и сотен тактов не делая ничего. Подобное поведение сделало бы любые улучшения внутри ядер процессора полностью бесполезными. И, если посмотреть в историю развития процессоров, проблема эта с ростом производительности процессоров становилась всё более острой. Вначале появлялись опциональные чипы кэша процессора, то есть места на плате куда можно установить чип памяти кеша L2. С ростом производительности такая «опция» уже перестала появляться, так как потери производительности без него становились слишком большими. Та же судьба была и у L3, который так же был вначале прерогативой серверных решений и располагался вне процессора и только с развитием полупроводникового производства на общем кристалле с ядрами стало достаточно места чтобы разместить ещё и кэш L3.

Кэши L2 и L3 позволяют получать процессору данные максимально быстро. В современных моделях задержки достигают единиц наносекунд. Что, в прочим, тоже для процессора довольно долго. Но современные архитектуры процессоров на подобные задержки и рассчитаны. Естественно процессор не будет пропускать по несколько тактов работы ожидая данные из кеша L3. Для того чтобы такое не случалось внутри процессорного конвейера организовываются очереди микроопераций, в которых они и выдерживаются до тех пор пока необходимые данные не будут доступны для использования уже в регистровой памяти процессора.

Но если так случилось, что микрооперация попала в конвейер, а данные для её выполнения расположены не в каком-то из кэшей, а в оперативной памяти (или вообще в постоянной памяти), то процессору ничего не остаётся как пропустить эту микрооперацию, оставив её в очереди, и выполнять следующие за ней мирооперации. И называется это «мероприятие» промах в кэш (Cache Miss).

Проблема тут в том, что для следующих микроопераций могут быть нужны данные которые должны были быть получены в той, что «застряла» в очереди… И всё это нарастает как снежный ком, который в конечном итоге приводит к тому, что часть времени процессор будет простаивать, не развивая свою максимальную теоретическую производительность.

И естественно, что чем больше объём кэш памяти, тем реже будут происходить промахи в кэш, а значит реже будут простои, что в свою очередь приведёт к росту производительности в реальных задачах.

Насколько большая разница от изменения объёма?

И встаёт закономерный вопрос: «На сколько же велико влияние?».

Ответ на него, к сожалению, однозначным быть не может, так как всё зависит от конкретного приложения. Если его данные и все создаваемые им результаты помещаются в кэш, то последующее увеличение размера кэша вообще не приведёт к росту производительности. А если приложение постоянно обращается к совершенно разным участкам памяти, плохо оптимизировано под использование только что созданных процессором результатов, которые только-только были записаны в кэш, то разница от увеличения объёма может быть несколько крат.

Производители процессоров подбирают объёмы регистов и кэша исходя из экономической целесообразности, тратя транзисторный бюджет на то, что будет давать большую производительность при равной цене.

Для некой усреднённой задачи может получится зависимость производительности от цены при изменения объёма кэша примерно такая:

Где рыжая линия показывает динамику изменения соотношений цены/производительности от увеличения объёма кэша. До определённого объёма — увеличение кэша приводит к значительному росту производительности так-как снижает частоту критичных состояний процессора когда он простаивает от промахов в кэш. Но при дальнейшем росте объёма всё меньше задач будут выполняться со значительными потерями в производительности, при дальнейшем росте стоимости процессора из-за увеличения кэш памяти.

Как измерить разницу от объёма?

И перейдём уже к практической области решения данного вопроса.

Для того чтобы понять разницу необходима некая конфигурация систем в которых отличия ограничиваются только объёмом кэш памяти.

В нашем случае это процессоры i7 7700k и i9 9900k. В последнем отключено 4 ядра из восьми (кэш память при этом не отключается).

В данном случае могла бы быть проблема связанная с программными исправлениями аппаратных уязвимостей более новых процессоров. Решена она запуском процессора i9 9900k на материнской плате ASUS Z170i Pro Gaming с BIOS версией 2002. К моменту выхода прошивки этой материнской платы об аппаратных уязвимостях сведений ещё не было и исправления их в тестовых системах — нет.

Про то как установить процессоры 8 и 9 поколений на платы для 6 и 7 поколений процессоров можете посмотреть тут.

Кроме процессора важно выбрать оперативную память. Я решил взять некие средние для DDR4 показатели. Частоту 3600 МГц с таймингами 17-18-18-38 CR2. Все субтайминги материнская плата выставляла автоматически.

Для игр так же стоит упомянуть о видеокарте: Gainward GeForce RTX 2070 Phoenix с небольшим заводским разгоном.

Обзор видеокарты можно посмотреть тут.

Важно чтобы в играх производительность ограничивалась именно процессором, а не видеокартой. Если у процессора будет возможность делать простои, то именно в них все проблемы по накапливанию невыполнимых операций и будут решаться без вреда для производительности игры. Так что в играх тесты сделаны на пресетах максимальных настроек, но без сглаживания и в сниженном разрешении (768р).

Результаты

Для начала проведём тест который покажет, что объём кэша действительно разный.

Тест задержек кэша и памяти позволяет увидеть переходы к разным уровням кэша и на оперативную память по увеличению задержек. График отлично показывает разницу в объёме кэша L3 по смещению долгих задержек от оперативной памяти (график логарифмический, поэтому двукратная разница в объёме выглядит не двукратной на глаз).

Теперь, убедившись в том, что всё идёт по плану можно перейти к бэнчмаркам, которые плохо реагируют на разгон памяти. Теоретически они должны слабо реагировать и на увеличение объёма кеша, так как отсутствие прироста от памяти говорит о малом числе промахов в кэш.

Все тесты проводились по 3 раза с усреднением результатов.

В однопоточном тесте CPU-z разницы от увеличения объёма кеша L3 — нет. В многопоточном разница — 3%

В Cinebench R15 разница 0,4% (незначительно превышает погрешности теста).

Прирост 1,5%.

Тесты которые слабо реагируют на разгон памяти слабо реагируют и на увеличение объёма кэш памяти.

Далее рассмотрим блок тестов, в которых бенчмарки зависимые от частоты и задержек памяти.

Win-rar. Прирост производительности — 35%. Стоит отметить, что встроенный бенчмарк не отражает реальный прирост производительности архиватора.

7-Zip. Прирост 4,5%.

CPU тест 3D Mark Time Spy. Прирост 3,7%

Выводы по бэнчмаркам

В идеальных задачах максимально оптимизированных для процессора и работы с памятью прирост находится в пределах 0-2%.

Для задач имеющий меньшую оптимизацию или связанных с работой с данными прирост от увеличения объёма кэш памяти составил от 3,7 до 35%.

Игры

Оптимизировать игры так чтобы они выполнялись только в объёме кэш памяти без промахов — практически невозможно. Подготовка и отрисовка игровых кадров требуют от процессора постоянной смены выполняемых действий, что, неизбежно, приводит к нехватке объёма кэш памяти и учащению промахов в кэш.

Far Cry 5

(графики кликабельны)

На графиках выше можно увидеть разницу и без цифр. На графиках изображены все удачные прогоны бенчмарка. Все они нанесены для оценки отличий результатов от погрешностей проведения тестов.

Результаты в цифрах:

Медианный прирост: 11,3%

Прирост по долгим кадрам: Меньшие 0,1% — 28%, Меньшие 1% — 20,8%.

WatchDogs 2

Медианный прирост: 14.5%

Прирост по долгим кадрам: Меньшие 0,1% — 21,8%, Меньшие 1% — 22,4%.

Выводы по играм

Прирост в играх превышает общие значения полученные в бенчмарках (кроме Win-rar) и составляют значения выше 10%, что является довольно значительным показателем.

Видео версия

Общие выводы

В целом — реакция на рост объёма кэш памяти сопоставима с разгоном памяти, что и логично, ведь кэш память является частью подсистемы памяти процессора равно как и оперативная память. В данном видео было измерено влияние на производительность от промахов в кэш, в дальнейших тестах я планирую установить характер падения производительности при ухудшении памяти как по пропускной способности, так и по задержкам, что должно вызывать большие трудности по организации выполнения микроопераций процессором и изменению полученных падений производительности.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

09.04.2015 г. Кэш-память играет важную роль. Без нее от высокой тактовой частоты процессора не было бы никакого проку. Кэш позволяет использовать в компьютере любую, даже самую «медленную» оперативную память, без ощутимого ущерба для его производительности. О том, что такое кэш-память процессора, как она работает и какое влияние оказывает на быстродействие компьютера, читатель узнает из этой статьи.

Содержание статьи

1. Что такое кэш-память процессора.2. Устройство кэш-памяти процессора:• контроллер кэш-памяти;• уровни кэша L1, L2, L3.3. Влияние кэш-памяти на быстродействие:• какой кэш лучше: двух- или трехуровневый?• как влияет размер кэша на быстродействие?• как узнать размер кэша процессора?• можно ли увеличить кэш-память?

Что такое кэш-память процессора

Решая любую задачу, процессор компьютера получает из оперативной памяти необходимые блоки информации. Обработав их, он записывает в память результаты вычислений и получает для обработки следующие блоки. Это продолжается, пока задача не будет выполнена. Все упомянутые операции производятся на очень высокой скорости. Однако, даже самая быстрая оперативная память работает медленнее любого «неторопливого» процессора. Каждое считывание из нее информации и обратная ее запись отнимают много времени. В среднем, скорость работы оперативной памяти в 16 – 17 раз ниже скорости процессора. Не смотря на такой дисбаланс, процессор не простаивает и не ожидает каждый раз, когда оперативная память «выдает» или «принимает» данные. Он почти всегда работает на максимальной скорости. И все благодаря наличию у него кэш-памяти. Кэш-память процессора – это небольшая, но очень быстрая память. Она встроена в процессор и является своеобразным буфером, сглаживающим перебои в обмене данными с более медленной оперативной памятью. Кэш-память часто называют сверхоперативной памятью. Кэш нужен не только для выравнивания дисбаланса скорости. Процессор обрабатывает данные более мелкими порциями, чем те, в которых они хранятся в оперативной памяти. Поэтому кэш-память играет еще и роль своеобразного места для «перепаковки» и временного хранения информации перед ее передачей процессору, а также возвращением результатов обработки в оперативную память.

Устройство кэш-памяти процессора

Система кэш-памяти процессора состоит из двух блоков — контроллера кэш-памяти и собственно самой кэш-памяти.

Контроллер кэш памяти

Контроллер кэш памяти – это устройство, управляющее содержанием кэша, получением необходимой информации из оперативной памяти, передачей ее процессору, а также возвращением в оперативную память результатов вычислений. Когда ядро процессора обращается к контроллеру за какими-то данными, тот проверяет, есть ли эти данные в кэш-памяти. Если это так, ядру моментально отдается информация из кэша (происходит так называемое кэш-попадание). В противном случае ядру приходится ожидать поступления данных из медленной оперативной памяти. Ситуация, когда в кэше не оказывается нужных данных, называется кэш-промахом. Задача контроллера – сделать так, чтобы кэш-промахи происходили как можно реже, а в идеале – чтобы их не было вообще. Размер кэша процессора по сравнению с размером оперативной памяти несоизмеримо мал. В нем может находиться лишь копия крошечной части данных, хранимых в оперативной памяти. Но, не смотря на это, контроллер допускает кэш-промахи не часто. Эффективность его работы определяется несколькими факторами: • размером и структурой кэш-памяти (чем больше ресурсов имеет в своем распоряжении контроллер, тем ниже вероятность кэш-промаха); • эффективностью алгоритмов, по которым контроллер определяет, какая именно информация понадобится процессору в следующий момент времени; • сложностью и количеством задач, одновременно решаемых процессором. Чем сложнее задачи и чем их больше, тем чаще «ошибается» контроллер.

Кэш-память процессора

Кэш-память процессора изготавливают в виде микросхем статической памяти (англ. Static Random Access Memory, сокращенно — SRAM). По сравнению с другими типами памяти, статическая память обладает очень высокой скоростью работы. Впервые кэш размером 8 KB был встроен в процессор Intel i486 в 1989 г. Однако, эта скорость зависит также от объема конкретной микросхемы. Чем значительней объем микросхемы, тем сложнее обеспечить высокую скорость ее работы. Учитывая указанную особенность, кэш-память процессора изготовляют в виде нескольких небольших блоков, называемых уровнями. В большинстве процессоров используется трехуровневая система кэша: • Кэш-память первого уровня или L1 (от англ. Level — уровень) – очень маленькая, но самая быстрая и наиболее важная микросхема памяти. Ни в одном процессоре ее объем не превышает нескольких десятков килобайт. Работает она без каких-либо задержек. В ней содержатся данные, которые чаще всего используются процессором. Количество микросхем памяти L1 в процессоре, как правило, равно количеству его ядер. Каждое ядро имеет доступ только к своей микросхеме L1. • Кэш-память второго уровня (L2) немного медленнее кэш-памяти L1, но и объем ее более существенный (несколько сотен килобайт). Служит она для временного хранения важной информации, вероятность запроса которой ниже, чем у информации, находящейся в L1. • Кэш-память третьего уровня (L3) – еще более объемная, но и более медленная схема памяти. Тем не менее, она значительно быстрее оперативной памяти. Ее размер может достигать нескольких десятков мегабайт. В отличие от L1 и L2, она является общей для всех ядер процессора. Уровень L3 служит для временного хранения важных данных с относительно низкой вероятностью запроса, а также для обеспечения взаимодействия ядер процессора между собой. Встречаются также процессоры с двухуровневой кэш-памятью. В них L2 совмещает в себе функции L2 и L3.

Влияние кэш-памяти процессора на быстродействие компьютера

При выполнении запроса на предоставление данных ядру, контроллер памяти ищет их сначала в кэше первого уровня, затем — в кэше второго и третьего уровней. По статистике, кэш-память первого уровня любого современного процессора обеспечивает до 90 % кэш-попаданий. Второй и третий уровни — еще 90% от того, что осталось. И только около 1 % всех запросов процессора заканчиваются кэш-промахами. Указанные показатели касаются простых задач. С повышением нагрузки на процессор число кэш-промахов увеличивается. Эффективность кэш-памяти процессора сводит к минимуму влияние скорости оперативной памяти на быстродействие компьютера. Например, компьютер одинаково хорошо будет работать с оперативной памятью 1066 МГц и 2400 МГц. При прочих равных условиях разница производительности в большинстве приложений не превысит 5%. Пытаясь оценить эффективность кэш-памяти, пользователи чаще всего ищут ответы на следующие вопросы:

Какая структура кэш-памяти лучше: двух- или трехуровневая?

Трехуровневая кэш-память более эффективна. Чтобы определить, как сильно L3 влияет на работу процессора, сайтом Tom’s Hardware был проведен эксперимент. Заключался он в замере производительности процессоров Athlon II X4 и Phenom II X4. Оба процессора оснащены одинаковыми ядрами. Первый отличается от второго лишь отсутствием кэш-памяти L3 и более низкой тактовой частотой. Приведя частоты обеих процессоров к одинаковому показателю, было установлено, что наличие кэш-памяти L3 повышает производительность процессора Phenom на 5,8 %. Но это средний показатель. В одних приложениях он был почти равен нулю (офисные программы), в других – достигал 8% и даже больше (компьютерные 3D игры, архиваторы и др.).

Как влияет размер кэша на производительность процессора?

Оценивая размер кэш-памяти, нужно учитывать характеристики процессора и круг решаемых им задач. Кэш-память двуядерного процессора редко превышает 3 MB. Тем более, если его тактовая частота ниже 3 Ггц. Производители прекрасно понимают, что дальнейшее увеличение размера кэша такого процессора не принесет прироста производительности, зато существенно повысит его стоимость. Другое дело высокочастотные 4-, 6- или даже 8-миядерные процессоры. Некоторые из них (например, Intel Core i7) поддерживают технологию Hyper Threading, обеспечивающую одновременное выполнение каждым ядром двух задач. Естественно, что потенциал таких процессоров не может быть раскрыт с маленьким кэшем. Поэтому его увеличение до 15 или даже 20 MB вполне оправдано. В процессорах Intel алгоритм наполнения кэш-памяти построен по так называемой инклюзивной схеме, когда содержимое кэшей верхнего уровня (L1, L2) полностью или частично дублируется в кэше нижнего уровня (L3). Это в определенной степени уменьшает полезный объем его пространства. С другой стороны, инклюзивная схема позитивно сказывается на взаимодействии ядер процессора между собой. Объем внутренней кэш-памяти некоторых моделей серверных процессоров Intel Xeon составляет 37,5 MB В целом же, эксперименты свидетельствуют, что в среднестатистическом «домашнем» процессоре влияние размера кэша на производительность находится в пределах 10 %, и его вполне можно компенсировать, например, высокой частотой. Эффект от большого кэша наиболее ощутим при использовании архиваторов, в 3D играх, во время кодирования видео. В «не тяжелых» же приложениях разница стремится к нулю (офисные программы, интернет-серфинг, работа с фотографиями, прослушивание музыки и др.). Многоядерные процессоры с большим кэшем необходимы на компьютерах, предназначенных для выполнения многопоточных приложений, одновременного решения нескольких сложных задач. Особенно актуально это для серверов с высокой посещаемостью. В некоторых высоконагружаемых серверах и суперкомпьютерах предусмотрена даже установка кэш-памяти четвертого уровня (L4). Изготавливается она в виде отдельных микросхем, подключаемых к материнской плате.

Как узнать размер кэш-памяти процессора?

Существуют специальные программы, предоставляющие подробную информацию о процессоре компьютера, в том числе и о его кэш-памяти. Одной из них является программа CPU-Z. • CPU-Z:

⇒ Подробнее о программе | скачать >>>

Программа не требует установки. После ее запуска нужно перейти на вкладку «Caches» (см. изображение). На примере видно, что проверяемый процессор оснащен трехуровневой кэш-памятью. Размер кэша L3 у него составляет 3 MB, L2 – 512 KB (256×2), L1 – 128 KB (32×2+32×2).

Можно ли как-то увеличить кэш-память процессора?

Как уже было сказано в одном из предыдущих пунктов, возможность увеличения кэш-памяти процессора предусмотрена в некоторых серверах и суперкомпьютерах, путем ее подключения к материнской плате. В домашних же или офисных компьютерах такая возможность отсутствует. Кэш-память является внутренней неотъемлемой частью процессора, имеет очень маленькие физические размеры и не подлежит замене. А на обычных материнских платах нет разъемов для подключения дополнительной кэш-памяти.

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.

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.

При выполнении различных задач в процессор вашего компьютера поступают необходимые блоки информации из оперативной памяти. Обработав их ЦП записывает полученные результаты вычислений в память и получает на обработку последующие блоки данных. Так продолжается до тех пор, пока поставленная задача не будет выполнена.

Вышеупомянутые процессы производятся на очень большой скорости. Однако скорость даже самой быстрой оперативной памяти значительно меньше скорости любого слабого процессора. Каждое действие, будь то запись на неё информации или считывание с неё занимают много времени. Скорость работы оперативной памяти в десятки раз ниже скорости процессора.

Не смотря на такую разницу в скорости обработки информации, процессор ПК не простаивает без дела и не ожидает, когда ОЗУ выдаст и примет данные. Процессор всегда работает и всё благодаря присутствию в нем кэш памяти.

По сути кэш-память выполняет роль быстродействующего буфера памяти хранящего информацию, которая может потребоваться процессору. Таким образом процессор получает необходимые данные в десятки раз быстрее, чем при считывании их из оперативной памяти.

Основным отличием кэш памяти от обычного буфера являются встроенные логические функции. В буфере хранятся случайные данные, которые как правило обрабатываются по схеме » получен первым, выдан первым» либо » получен первым, выдан последним». В кэш памяти содержатся данные, вероятность обращения к которым в ближайшее время очень велика. Поэтому благодаря «умному кэшу» процессор может работать с полной скоростью и не ожидать данные, извлекаемые из более медленной оперативной памяти.

Основные типы и уровни кэш-памяти L1 L2 L3

Кэш память выполнена в виде микросхем статической оперативной памяти (SRAM), которые устанавливаются на системной плате либо встроены в процессор. В сравнении с другими видами памяти, статическая память способна работать на очень больших скоростях.

Скорость кэша зависит от объема конкретной микросхемы, Чем больше объем микросхемы, тем труднее добиться высокой скорости для её работы. Учитывая данную особенность, при изготовлении кэш память процессора выполняют в виде нескольких небольших блоков, именуемых уровнями. Самой распространенной на сегодняшний день считается трехуровневая система кеша L1,L2, L3:

Кэш память первого уровня L1 — самая маленькая по объему (всего несколько десятков килобайт), но самая быстрая по скорости и наиболее важная. Она содержит данные наиболее часто используемые процессором и работает без задержек. Обычно количество микросхем памяти уровня L1 равно количеству ядер процессора, при этом каждое ядро получает доступ только к своей микросхеме L1.

Кэш память уровня L2 по скорости уступает памяти L1, но выигрывает в объеме, который измеряется уже в нескольких сотнях килобайт. Она предназначена для временного хранения важной информации, вероятность обращения к которой ниже, чем у информации хранящейся в кэше L1.

Третий уровень кэш памяти L3 — имеет самый большой объем из трех уровней (может достигать десятков мегабайт), но и обладает самой медленной скоростью, которая всё же значительно выше скорости оперативной памяти. Кэш память L3 служит общей для всех ядер процессора. Уровень памяти L3 предназначен для временного хранения тех важных данных, вероятность обращения к которым чуть ниже, чем у информации которая хранится в первых двух уровнях L1, L2. Она также обеспечивает взаимодействие ядер процессора между собой.

Некоторые модели процессоров выполнены с двумя уровнями кэш памяти, в которых L2 совмещает все функции L2 и L3.

Когда полезен большой объем кэша.

Значительный эффект от большого объема кэша вы ощутите при использовании программ архиваторов, в 3D играх, во время обработки и кодирования видео. В относительно «легких» программах и приложениях разница практически не заметна (офисные программы, плееры и т.п).