Кэш память в современных процессорах сообщение
Обновлено: 30.06.2024
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
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.
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.
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 (256x2), L1 – 128 KB (32x2+32x2).
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.
НАПИСАТЬ АВТОРУ
Таблица совместимости процессоров и материнских плат AMD
Одной из особенностей компьютеров на базе процессоров AMD, которой они выгодно отличаются от платформ Intel, является высокий уровень совместимости процессоров и материнских плат. У владельцев относительно не старых настольных систем на базе AMD есть высокие шансы безболезненно "прокачать" компьютер путем простой замены процессора на "камень" из более новой линейки или же флагман из предыдущей.
Если вы принадлежите к их числу и задались вопросом "апгрейда", эта небольшая табличка вам в помощь.
Сравнение процессоров
В таблицу можно одновременно добавить до 6 процессоров, выбрав их из списка (кнопка "Добавить процессор"). Всего доступно больше 2,5 тыс. процессоров Intel и AMD.
Пользователю предоставляется возможность в удобной форме сравнивать производительность процессоров в синтетических тестах, количество ядер, частоту, структуру и объем кэша, поддерживаемые типы оперативной памяти, скорость шины, а также другие их характеристики.
Дополнительные рекомендации по использованию таблицы можно найти внизу страницы.
Спецификации процессоров
В этой базе собраны подробные характеристики процессоров Intel и AMD. Она содержит спецификации около 2,7 тысяч десктопных, мобильных и серверных процессоров, начиная с первых Пентиумов и Атлонов и заканчивая последними моделями.
Информация систематизирована в алфавитном порядке и будет полезна всем, кто интересуется компьютерной техникой.
Таблица процессоров
Таблица содержит информацию о почти 2 тыс. процессоров и будет весьма полезной людям, интересующимся компьютерным "железом". Положение каждого процессора в таблице определяется уровнем его быстродействия в синтетических тестах (расположены по убыванию).
Есть фильтр, отбирающий процессоры по производителю, модели, сокету, количеству ядер, наличию встроенного видеоядра и другим параметрам.
Для получения подробной информации о любом процессоре достаточно нажать на его название.
Технологии и инструкции, используемые в процессорах
Люди обычно оценивают процессор по количеству ядер, тактовой частоте, объему кэша и других показателях, редко обращая внимание на поддерживаемые им технологии.
Отдельные из этих технологий нужны только для решения специфических заданий и в "домашнем" компьютере вряд ли когда-нибудь понадобятся. Наличие же других является непременным условием работы программ, необходимых для повседневного использования.
Так, полюбившийся многим браузер Google Chrome не работает без поддержки процессором SSE2. Инструкции AVX могут в разы ускорить обработку фото- и видеоконтента. А недавно один мой знакомый на достаточно быстром Phenom II (6 ядер) не смог запустить игру Mafia 3, поскольку его процессор не поддерживает инструкции SSE4.2.
Если аббревиатуры SSE, MMX, AVX, SIMD вам ни о чем не говорят и вы хотели бы разобраться в этом вопросе, изложенная здесь информация станет неплохим подспорьем.
Как проверить стабильность процессора
Проверка стабильности работы центрального процессора требуется не часто. Как правило, такая необходимость возникает при приобретении компьютера, разгоне процессора (оверлокинге), при возникновении сбоев в работе компьютера, а также в некоторых других случаях.
В статье описан порядок проверки процессора при помощи программы Prime95, которая, по мнению многих экспертов и оверлокеров, является лучшим средством для этих целей.
ПОКАЗАТЬ ЕЩЕ
Что такое кэш?
TL;DR: это небольшая, но очень быстрая память, расположенная в непосредственной близости от логических блоков центрального процессора.
Однако мы, разумеется, можем узнать о кэше гораздо больше…
Давайте начнём с воображаемой волшебной системы хранения: она бесконечно быстра, может одновременно обрабатывать бесконечное количество операций передачи данных и всегда обеспечивает надёжное и безопасное хранение данных. Конечно же, ничего подобного и близко не существует, однако если бы это было так, то структура процессора была бы гораздо проще.
Процессорам бы тогда требовались только логические блоки для сложения, умножения и т.п, а также система управления передачей данных, ведь наша теоретическая система хранения способна мгновенно передавать и получать все необходимые числа; ни одному из логических блоков не приходится простаивать в ожидании передачи данных.
Но, как мы знаем, такой волшебной технологии хранения не существует. Вместо неё у нас есть жёсткие диски или твердотельные накопители, и даже самые лучшие из них далеки от возможностей обработки, необходимых для современного процессора.
Великий Т'Фон хранения данных
Причина этого заключается в том, что современные процессоры невероятно быстры — им требуется всего один тактовый цикл для сложения двух 64-битных целочисленных значений; если процессор работает с частотой 4 ГГЦ, то это составляет всего 0,00000000025 секунды, или четверть наносекунды.
В то же время, вращающемуся жёсткому диску требуются тысячи наносекунд только для нахождения данных на дисках, не говоря уже об их передаче, а твердотельным накопителям — десятки или сотни наносекунд.
Очевидно, что такие приводы невозможно встроить внутрь процессоров, поэтому между ними будет присутствовать физическое разделение. Поэтому ещё добавляется время на перемещение данных, что усугубляет ситуацию.
Увы, но это Великий А'Туин хранения данных
Именно поэтому нам нужна ещё одна система хранения данных, расположенная между процессором и основным накопителем. Она должна быть быстрее накопителя, способна одновременно управлять множеством операций передачи данных и находиться намного ближе к процессору.
Ну, у нас уже есть такая система, и она называется ОЗУ (RAM); она присутствует в каждом компьютере и выполняет именно эту задачу.
Почти все такие хранилища имеют тип DRAM (dynamic random access memory); они способны передавать данные гораздо быстрее, чем любой накопитель.
Однако, несмотря на свою огромную скорость, DRAM не способна хранить такие объёмы данных.
Одни из самых крупных чипов памяти DDR4, разработанных Micron, хранят 32 Гбит, или 4 ГБ данных; самые крупные жёсткие диски хранят в 4 000 раз больше.
Итак, хоть мы и повысили скорость нашей сети данных, нам потребуются дополнительные системы (аппаратные и программные), чтобы разобраться, какие данные должны храниться в ограниченном объёме DRAM, готовые к обработке процессором.
DRAM могут изготавливаться в корпусе чипа (это называется встроенной (embedded) DRAM). Однако процессоры довольно малы, поэтому в них не удастся поместить много памяти.
10 МБ DRAM слева от графического процессора Xbox 360. Источник: CPU Grave Yard
Подавляющее большинство DRAM расположено в непосредственной близости от процессора, подключено к материнской плате и всегда является самым близким к процессору компонентом. Тем не менее, эта память всё равно недостаточно быстра…
DRAM требуется примерно 100 наносекунд для нахождения данных, но, по крайней мере, она способна передавать миллиарды битов в секунду. Похоже, нам нужна ещё одна ступень памяти, которую можно разместить между блоками процессора и DRAM.
На сцене появляется оставшаяся ступень: SRAM (static random access memory). DRAM использует микроскопические конденсаторы для хранения данных в виде электрического заряда, а SRAM для той же задачи применяет транзисторы, которые работают с той же скоростью, что и логические блоки процессора (примерно в 10 раз быстрее, чем DRAM).
Разумеется, у SRAM есть недостаток, и он опять-таки связан с пространством.
Память на основе транзисторов занимает гораздо больше места, чем DRAM: в том же размере, что чип DDR4 на 4 ГБ, можно получить меньше 100 МБ SRAM. Но поскольку она производится по тому же технологическому процессу, что и CPU, память SRAM можно встроить прямо внутрь процессора, максимально близко к логическим блокам.
С каждой дополнительной ступенью мы увеличивали скорость перемещаемых данных ценой хранимого объёма. Мы можем продолжить и добавлять новые ступени,, которые будут быстрее, но меньше.
И так мы добрались до более строгого определения понятия кэша: это набор блоков SRAM, расположенных внутри процессора; они обеспечивают максимальную занятость процессора благодаря передаче и сохранению данных с очень высокими скоростями. Вас устраивает такое определение? Отлично, потому что дальше всё будет намного сложнее!
Кэш: многоуровневая парковка
На приведённом выше изображении процессор (CPU) обозначен прямоугольником с пунктирной границей. Слева расположены ALU (arithmetic logic units, арифметико-логические устройства); это структуры, выполняющие математические операции. Хотя строго говоря, они не являются кэшем, ближайший к ALU уровень памяти — это регистры (они упорядочены в регистровый файл).
Каждый из них хранит одно число, например, 64-битное целое число; само значение может быть элементом каких-нибудь данных, кодом определённой инструкции или адресом памяти каких-то других данных.
Регистровый файл в десктопных процессорах довольно мал, например, в каждом из ядер Intel Core i9-9900K есть по два банка таких файлов, а тот, который предназначен для целых чисел, содержит всего 180 64-битных целых чисел. Другой регистровый файл для векторов (небольших массивов чисел) содержит 168 256-битных элементов. То есть общий регистровый файл каждого ядра чуть меньше 7 КБ. Для сравнения: регистровый файл потоковых мультипроцессоров (так в GPU называются аналоги ядер CPU) Nvidia GeForce RTX 2080 Ti имеет размер 256 КБ.
Регистры, как и кэш, являются SRAM, но их скорость не превышает скорость обслуживаемых ими ALU; они передают данные за один тактовый цикл. Но они не предназначены для хранения больших объёмов данных (только одного элемента), поэтому рядом с ними всегда есть более крупные блоки памяти: это кэш первого уровня (Level 1).
Одно ядро процессора Intel Skylake. Источник: Wikichip
На изображении выше представлен увеличенный снимок одного из ядер десктопного процессора Intel Skylake.
ALU и регистровые файлы расположены слева и обведены зелёной рамкой. В верхней части фотографии белым обозначен кэш данных первого уровня (Level 1 Data cache). Он не содержит много информации, всего 32 КБ, но как и регистры, он расположен очень близко к логическим блокам и работает на одной скорости с ними.
Ещё одним белым прямоугольником справа показан кэш инструкций первого уровня (Level 1 Instruction cache), тоже имеющий размер 32 КБ. Как понятно из названия, в нём хранятся различные команды, готовые к разбиению на более мелкие микрооперации (обычно обозначаемые μops), которые должны выполнять ALU. Для них тоже существует кэш, который можно классифицировать как Level 0, потому что он меньше (содержит всего 1 500 операций) и ближе, чем кэши L1.
Вы можете задаться вопросом: почему эти блоки SRAM настолько малы? Почему они не имеют размер в мегабайт? Вместе кэши данных и инструкций занимают почти такую же площадь на чипе, что основные логические блоки, поэтому их увеличение приведёт к повышению общей площади кристалла.
Но основная причина их размера в несколько килобайт заключается в том, что при увеличении ёмкости памяти повышается время, необходимое для поиска и получения данных. Кэшу L1 нужно быть очень быстрым, поэтому необходимо достичь компромисса между размером и скоростью — в лучшем случае для получения данных из этого кэша требуется около 5 тактовых циклов (для значений с плавающей запятой больше).
Кэш L2 процессора Skylake: 256 КБ SRAM
Но если бы это был единственный кэш внутри процессора, то его производительность наткнулась бы на неожиданное препятствие. Именно поэтому в ядра встраивается еще один уровень памяти: кэш Level 2. Это обобщённый блок хранения, содержащий инструкции и данные.
Он всегда больше, чем Level 1: в процессорах AMD Zen 2 он занимает до 512 КБ, чтобы кэши нижнего уровня обеспечивались достаточным объёмом данных. Однако большой размер требует жертв — для поиска и передачи данных из этого кэша требуется примерно в два раза больше времени по сравнению с Level 1.
Во времена первого Intel Pentium кэш Level 2 был отдельным чипом, или устанавливаемым на отдельной небольшой плате (как ОЗУ DIMM), или встроенным в основную материнскую плату. Постепенно он перебрался в корпус самого процессора, и, наконец, полностью интегрировался в кристалл чипа; это произошло в эпоху таких процессоров, как Pentium III и AMD K6-III.
За этим достижением вскоре последовал ещё один уровень кэша, необходимый для поддержки более низких уровней, и появился он как раз вовремя — в эпоху расцвета многоядерных чипов.
Чип Intel Kaby Lake. Источник: Wikichip
Кэш третьего уровня (Level 3), хоть и расположен непосредственно рядом с одним ядром, является полностью общим для всех остальных — каждое ядро свободно может получать доступ к содержимому кэша L3 другого ядра. Он намного больше (от 2 до 32 МБ), но и намного медленнее, в среднем более 30 циклов, особенно когда ядру нужно использовать данные, находящиеся в блоке кэша, расположенного на большом расстоянии.
Ниже показано одно ядро архитектуры AMD Zen 2: кэши Level 1 данных и инструкций по 32 КБ (в белых прямоугольниках), кэш Level 2 на 512 КБ (в жёлтых прямоугольниках) и огромный блок кэша L3 на 4 МБ (в красном прямоугольнике).
Увеличенный снимок одного ядра процессора AMD Zen 2. Источник: Fritzchens Fritz
Но постойте: как 32 КБ могут занимать больше физического пространства чем 512 КБ? Если Level 1 хранит так мало данных, почему он непропорционально велик по сравнению с кэшами L2 и L3?
Не только числа
Кэш повышает производительность, ускоряя передачу данных в логические блоки и храня поблизости копию часто используемых инструкций и данных. Хранящаяся в кэше информация разделена на две части: сами данные и место, где они изначально располагаются в системной памяти/накопителе — такой адрес называется тег кэша (cache tag).
Когда процессор выполняет операцию, которой нужно считать или записать данные из/в память, то он начинает с проверки тегов в кэше Level 1. Если нужные данные там есть (произошло кэш-попадание (cache hit)), то доступ к этим данным выполняется почти сразу же. Промах кэша (cache miss) возникает, если требуемый тег не найден на самом нижнем уровне кэша.
В кэше L1 создаётся новый тег, а за дело берётся остальная часть архитектуры процессора выполняющая поиск в других уровнях кэша (при необходимости вплоть до основного накопителя) данных для этого тега. Но чтобы освободить пространство в кэше L1 под этот новый тег, что-то обязательно нужно перебросить в L2.
Это приводит к почти постоянному перемешиванию данных, выполняемому всего за несколько тактовых циклов. Единственный способ добиться этого — создание сложной структуры вокруг SRAM для обработки управления данными. Иными словами, если бы ядро процессора состояло всего из одного ALU, то кэш L1 был бы гораздо проще, но поскольку их десятки (и многие из них жонглируют двумя потоками инструкций), то для перемещения данных кэшу требуется множество соединений.
Для изучения информации кэша в процессоре вашего компьютера можно использовать бесплатные программы, например CPU-Z. Но что означает вся эта информация? Важным элементом является метка set associative (множественно-ассоциативный) — она указывает на правила, применяемые для копирования блоков данных из системной памяти в кэш.
Инклюзивный кэш L1+L2, victim cache L3, политики write-back, есть даже ECC. Источник: Fritzchens Fritz
Ещё один аспект сложности кэша связан с тем, как хранятся данные между разными уровнями. Правила задаются в inclusion policy (политике инклюзивности). Например, процессоры Intel Core имеют полностью инклюзивные кэши L1+L3. Это означает, что одни данные в Level 1, например, могут присутствовать в Level 3. Может показаться, что это пустая трата ценного пространства кэша, однако преимущество заключается в том, что если процессор совершает промах при поиске тега в нижнем уровне, ему не потребуется обыскивать верхний уровень для нахождения данных.
В тех же самых процессорах кэш L2 неинклюзивен: все хранящиеся там данные не копируются ни на какой другой уровень. Это экономит место, но приводит к тому, что системе памяти чипа нужно искать ненайденный тег в L3 (который всегда намного больше). Victim caches (кэши-жертвы) имеют похожий принцип, но они используются для хранения информации, переносимой с более низких уровней. Например, процессоры AMD Zen 2 используют victim cache L3, который просто хранит данные из L2.
Графический процессор Nvidia GA100, имеющий 20 МБ кэша L1 и 40 МБ кэша L2
Для проектировщиков процессоров выбор объёма, типа и политики кэшей является вопросом уравновешивания стремления к повышению мощности процессора с увеличением его сложности и занимаемым чипом пространством. Если бы можно было создать 1000-канальные ассоциативные кэши Level 1 на 20 МБ такими, чтобы они при этом не занимали площадь Манхэттена (и не потребляли столько же энергии), то у нас у всех бы были компьютеры с такими чипами!
Самый нижний уровень кэшей в современных процессорах за последнее десятилетие практически не изменился. Однако кэш Level 3 продолжает расти в размерах. Если бы десять лет назад у вас было 999 долларов на Intel i7-980X, то вы могли бы получить кэш размером 12 МБ. Сегодня за половину этой суммы можно приобрести 64 МБ.
Подведём итог: кэш — это абсолютно необходимое и потрясающее устройство. Мы не рассматривали другие типы кэшей в CPU и GPU (например, буферы ассоциативной трансляции или кэши текстур), но поскольку все они имеют такую же простую структуру и расположение уровней, разобраться в них будет несложно.
Был ли у вас компьютер с кэшем L2 на материнской плате? Как насчёт слотовых Pentium II и Celeron (например, 300a) на дочерних платах? Помните свой первый процессор с общим L3?
На правах рекламы
Наша компания предлагает в аренду серверы с процессорами от Intel и AMD. В последнем случае — это эпичные серверы! VDS с AMD EPYC, частота ядра CPU до 3.4 GHz. Максимальная конфигурация — 128 ядер CPU, 512 ГБ RAM, 4000 ГБ NVMe.
Кэша много не бывает, оценка влияния кэша на производительность и обзор эволюции роста объема кэш-памяти процессоров с 2000-х годов до наших дней. Raptoreum посвящается.
Перед началом основной беседы о важности объема кэш-памяти у процессоров остановлюсь на криптовалюте Raptoreum, которая, собственно, и подтолкнула меня написать этот блог. Кто хочет узнать, что ожидает всех майнеров и геймеров в следующем году, когда появятся видеокарты на рынке, вероятный прогноз развития событий можно найти здесь.
реклама
А теперь поговорим о кэш-памяти процессора. При решении задач процессор получает из оперативной памяти необходимые блоки информации, обработав их, он записывает в память результаты вычислений и получает для обработки следующие блоки. Этот процесс продолжается, пока задача не будет на 100% выполнена.
Все эти операции производятся на очень высоких скоростях, от десятков гигабайт в секунду у процессоров 20-ти летней давности, до сотен гигабайт в секунду у современных процессоров. Все это время процессор обменивается данными с оперативной памятью, которая работает в разы медленнее самого процессора. Каждое считывание из нее и обратная запись информации в неё отнимают уйму времени.
реклама
Несмотря на такой дисбаланс, процессор не простаивает в ожидании очередной порции данных из оперативной памяти, так как эти данные подгружаются в его кэш-память.
Кэш-память процессора – это небольшая по объему, но супербыстрая оперативная память. Она встроена в процессор и является своеобразным буфером, при обмене CPU данными с медленной оперативной памятью, а в современных реалиях еще и с NVME SSD и видеокартой.
В большинстве процессоров используется многоуровневая система кэша:
реклама
• Кэш-память первого уровня или L1 – самая маленькая, но и самая быстрая область кэш-памяти. Её объем не превышает пару десятков килобайт. Работает L1 без каких-либо задержек. В нем содержатся данные, которые чаще всего используются процессором.
• Кэш-память второго уровня (L2) чуть медленнее кэш-памяти L1, но и объем ее в современных процессорах измеряется уже в мегабайтах. Служит она для временного хранения важных данных, вероятность запроса которых ниже, чем у данных, находящихся в L1 кэше.
• Кэш-память третьего уровня (L3) – еще более объемная и еще более медленная. Но она все равно быстрее любой оперативной памяти, даже новой DDR5. Со скоростями в несколько сотен гигабайт в секунду пока еще приходится считаться. Ее размер в современных процессорах в мейнстрим сегменте достигает нескольких десятков мегабайт, а в серверных AMD Epyc счет пошел уже на сотни мегабайт. В отличие от L1 и L2, кэш третьего уровня является общим для всех ядер процессора.
L3 кэш служит для временного хранения важной информации с относительно низкой вероятностью запроса, а также для обеспечения обменом данными между ядрами процессора.
реклама
А теперь небольшой экскурс в развитие и эволюцию кэш-памяти. Если за отправную точку взять Pentium 1, то кэша L2 у него не было. L1 был объёмом 32 Кб. L2 как правило распаивался на материнской плате. Когда появился Pentium II, то L2 сразу стал равным 512 Кб, но он располагался рядом с ядром процессора на отдельной микросхеме и имел низкую скорость, но все равно это лучше, чем ничего.
Pentium-III с Socket 370 имел уже половину объема от Pentium II – 256 Кб, но зато этот кэш был быстрее, так как он был интегрирован в кристалл процессора. Pentium 4 вначале удвоил этот объём до 512 Кб, так называемый Nothwood, а последовавшее за ним ядро Prescott довел L2 до 1 Мб. Это уже объём дней сегодняшних.
После смены с 478 на 775 контактов без ножек, первые “новые” Pentium с ядрами Prescott-2M и Cedar Mill увеличили L2 до 2-х мегабайт, а L1 так и оставался в пределах 32 Кб.
Микроархитектура Core2 и Core2 Quad значительно увеличили объемы кэшей. Так, объем L2 кэша уже варьировался от 4 до 12 Мб, но эти цифры нужно поделить на два, из особенности организации кэша, так как группы ядер по факту взаимодействовали только с половиной этого объема, но суммарный объем был именно таким.
Микроархитектура Sandy Bridge поделила процессоры на различные линейки в зависимости от объема L2 кэша. В этот момент времени, именно объем кэш-памяти начинает решать главенствующую роль в позиционировании и производительности процессоров.
Так, i5-2500К отличался от i7-2600K только объемом кэша. И надо отметить, речь уже идет о L3 кэше, который начинает появляться уже повсеместно. В первом случае L3 = 6 Мб, во втором 8 Мб. L2 у обеих моделей равнялся 256 Кб на одно ядро, а L1 был равен по-прежнему 32 Кб.
Далее происходит рост L3 у последующих поколений. У i9-9900K он уже равен 16 Мб. Параллельно развивается HEDT линейка процессоров Intel, где L3 уже достигает 24.5 Мб. Но дальнейшее развитие всей процессорной архитектуры меняют процессоры AMD с микроархитектурой ZEN и производные от них. Стартовало первое поколение AMD Ryzen c L2 = 512 Кб и L3 = 8 Мб, а на сегодняшний день топовый Ryzen Gen3 уже обладает 64 Мб L3 кэша. Недавний анонс новых серверных процессоров AMD Epyс вообще увеличил объем L3 до астрономических 768 Мб.
Таким образом, система кэшей процессора позволяет частично уйти от зависимости от низкой производительности оперативной памяти, ведь процесс развития процессоров и скорости их кэшей намного опережает скорость оперативной памяти. Важно отметить и тот факт, что чем больше кэша у процессора, тем выше его производительность.
Поэтому при выборе того или иного процессора, обращайте внимание на объем L3 кэша процессора. Возможно, в будущем, объемы порядка пары гигабайт L3 кэша станут нормой, но а пока следим за стоимостью AMD Ryzen, в зависимости от популярности Raptoreum. Надеюсь, этот блог оказался для вас полезным.
Подпишитесь на наш канал в Яндекс.Дзен или telegram-канал @overclockers_news - это удобные способы следить за новыми материалами на сайте. С картинками, расширенными описаниями и без рекламы.
Кэш-память — хранилище для часто используемой информации, доступ к которому осуществляется намного быстрее по сравнению с оперативной памятью или жестким диском компьютера. Рассматриваемая технология базируется на подсистеме компьютерной памяти. Главным предназначением является ускорение работы устройства. Даже если ПК обладает непроизводительным процессором, благодаря кэшированию информации скорость выполнения задач существенно повышается.
Кэш-памятью оборудованы главные элементы компьютера — жесткие диски, видеокарты, процессоры. Архитектура и работа технологии способны отличаться. Например, кэш может служить обычным буфером обмена — устройство обрабатывает информацию и передает полученные данные в специальный буфер, из которого результат поступает на интерфейс. Назначением такого кэша является предотвращение ошибок благодаря аппаратной проверке информации на целостность.
Кэш процессора
Современный процессор обладает несколькими основными уровнями кэш-памяти, нередко называемыми сверхоперативной памятью. На кристалле находится несколько аппаратных модулей. Самым меньшим по размеру является Cache Level 1, объем которого способен варьироваться от 32 до 64 Кб в зависимости от процессора. L2 обладает повышенной емкостью — от 128 Кб до 12 Мб. L3 считается самым объемным (до 40 Мб) и самым медленным.
Кэш процессора
Сверхоперативная память необходима для хранения часто используемой информации, поступающей из ОЗУ. Сегодня производители устанавливают больше трех уровней кэширования для обеспечения производительной работы компьютера. Например, компания Intel смогла реализовать дополнительный уровень кэша 0 для краткосрочного хранения расшифрованных команд. В производительных ЦП встречается сверхоперативная память 4 уровня, расположенная в отдельной микросхеме.
Кэш жесткого диска
В жестких дисках присутствует специализированная оперативная память, выступающая в качестве промежуточного звена для хранения информации. Она предназначена для краткосрочного хранения данных, считанных с носителя, но не поступивших на обработку. Необходимость использования кэша обусловлена разницей в скорости между различными компьютерными компонентами. Сегодня популярны модели дисков с объемом кэша от 32 до 64 Мб.
Кэш жесткого диска
Программный кэш
Представляет собой директорию на жестком диске компьютера, создаваемую программами для непродолжительного хранения информации. Например, браузер сохраняет страницы, просмотренные пользователем. При повторном переходе по введенному адресу браузер сначала обращается к кеш-памяти, чтобы ускорить загрузку страницы и одновременно уменьшить потребление трафика. Размер папки способен варьироваться от разновидности программного обеспечения.
Программный кэш
Кэш-память смартфона
Современные мобильные телефоны тоже обладают кэш-памятью. Она представляет собой место хранения информации приложений. Данные записываются в специальную директорию, позволяющую быстро вернуться к просмотру файлов. Наглядный пример использования кэша — работа с галереей. После просмотра фотографий устройство сохраняет уменьшенные копии изображений. Также краткосрочная память вмещает настройки приложений, отчеты и загруженные веб-ресурсы.
Кэш-память смартфона
Если кэш-память телефона будет перегружена, пользователь заметит существенное замедление работы мобильного устройства. Могут даже возникнуть программные ошибки, а некоторые приложения иногда отказываются запускаться. Для решения проблемы рекомендуется выполнить очистку кэша смартфона. Вот подробная инструкция.
Основным предназначением кэш-памяти является ускорение устройства и краткосрочное хранение информации. Модули кэш-памяти встречаются в жестких дисках, центральных процессорах и видеокартах. Также соответствующей технологией обладают смартфоны. Для обеспечения стабильной работы устройства пользователю рекомендуется периодически очищать память в настройках операционной системы телефона — такая процедура часто улучшает быстродействие.
Читайте также: