Память обеспечивающая самую быструю передачу информации центральному процессору это

Обновлено: 19.05.2024

1) Роберт Биссакар
2) Филипп-Малтус Хан
3) Блез Паскаль
4) Джон Неппер
5) Чарльз Беббидж

а) механический калькулятор
б) Паскалина
в) логарифмическая линейка
г) аналитическая машина
д) арифмометр

Архитектура ПК – это:

техническое описание деталей устройств компьютера;
описание устройств для ввода-вывода информации;
описание программного обеспечения для работы компьютера;
описание устройств и принципов работы компьютера, достаточное для понимания пользователя.

Принцип открытой архитектуры означает:

что персональный компьютер сделан единым неразъемным устройством;
что возможна легкая замена устаревших частей персонального компьютера;
что новая деталь ПК будет совместима со всем тем оборудованием, которое использовалось ранее;
что замена одной детали ведет к замене всех устройств компьютера.

Установите соответствие:

1) ОЗУ
2) ПЗУ
3) ВЗУ

а) обеспечивает длительное хранение информации
б) при выключении ее содержимое теряется
в) читается только процессором

Где находится BIOS?

в оперативно-запоминающем устройстве (ОЗУ)
на винчестере
на CD-ROM
в постоянно-запоминающем устройстве (ПЗУ)

Аппаратное подключение периферийного устройства к магистрали производится через:

регистр
драйвер;
контроллер;
стример.

Укажите характеристики лазерного принтера.

Сканеры бывают:

горизонтальные и вертикальные;
внутренние и внешние;
ручные, роликовые и планшетные;
матричные, струйные и лазерные.

Разъемы, в которые устанавливаются модули оперативной памяти, называются _________________________.

Сформулируйте все достоинства и недостатки портативных компьютеров.

Модульный принцип построения компьютера позволяет пользователю:

самостоятельно комплектовать и модернизировать конфигурацию ПК;
изучить формы хранения, передачи и обработки информации;
понять систему кодирования информации;
создать рисунки в графическом редакторе.

Вентилятор-охладитель, устанавливаемый поверх кристалла процессора, называется ____________________________.

Чем характерны и где применяются суперкомпьютеры?

Охарактеризуйте носитель информации Blu-Ray и устройство, позволяющее его читать.

В каком поколении машины начинают классифицировать на большие, сверхбольшие и мини-ЭВМ:

в I поколении
в II поколении
в III поколении
в IV поколении

Первая советская электронно-вычислительная машина, появившаяся в 1950 году, называлась ________________________.

Первым средством дальней связи принято считать:

радиосвязь
телефон
телеграф
почту
компьютерные сети.

Какая из последовательностей отражает истинную хронологию:

почта, телеграф, телефон, телевидение, радио, компьютерные сети;
почта, радио, телеграф, телефон, телевидение, компьютерные сети;
почта, телевидение, радио, телеграф, телефон, компьютерные сети;
почта, радио, телефон, телеграф, телевидение, компьютерные сети;

Массовое производство персональных компьютеров началось.

в 40-е годы
в 80-е годы
в 50-е годы
в 90-е годы

ЭВМ первого поколения:

имели в качестве элементной базы электронные лампы; характеризовались малым быстродействием, низкой надежностью; программировались в машинных кодах
имели в качестве элементной базы полупроводниковые элементы; программировались с использованием алгоритмических языков
имели в качестве элементной базы интегральные схемы, отличались возможностью доступа с удаленных терминалов
имели в качестве элементной базы большие интегральные схемы, микропроцессоры; отличались относительной дешевизной
имели в качестве элементной базы сверхбольшие интегральные схемы, были способны моделировать человеческий интеллект.

Элементной базой ЭВМ третьего поколения служили:

электронные лампы
полупроводниковые элементы
интегральные схемы
большие интегральные схемы
сверхбольшие интегральные схемы.

Название какого устройства необходимо вписать в пустой блок общей схемы компьютера?

модем
дисковод
контроллер устройства вывода
внутренняя память

Не является носителем информации.

Книга
Глобус
Ручка
Видеопленка

Поставьте в соответствие примерный информационный объем и емкость носителей информации:

1,4 Мбайт
700 Мбайт
200 Гбайт
8 Гбайт

(1) дискета
(2) лазерный диск CD
(3) жесткий диск
(4) флеш-память

КОМПЬЮТЕР ЭТО -

электронное вычислительное устройство для обработки чисел;
устройство для хранения информации любого вида;
многофункциональное электронное устройство для работы с информацией;
устройство для обработки аналоговых сигналов.

УКАЖИТЕ ВИДЫ ПРИНТЕРОВ:

Настольные;
Портативные;
Карманные;
Матричные;
Лазерные;
Струйные;
Монохромные;
Цветные;
Черно-белые.

УКАЖИТЕ УСТРОЙСТВА ВВОДА ИНФОРМАЦИИ:

Модем;
Принтер;
Сканер;
Джойстик;
Клавиатура;
Монитор;
Системный блок;
Процессор.

УКАЖИТЕ ОСНОВНЫЕ ТОПОЛОГИИ ПОСТРОЕНИЯ ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЕЙ:

Концевая.
Линейная.
Табличная.
Кольцевая.
Звездообразная.
Зигзагообразная.

УКАЖИТЕ ОСНОВНЫЕ УСТРОЙСТВА КОМПЬЮТЕРА

Мышь
Клавиатура
Системный блок
Принтер
Сканер
Монитор
Модем

УСТАНОВИТЕ СООТВЕТСТВИЕ МЕЖДУ ПОКОЛЕНИЯМИ КОМПЬЮТЕРОВ И ЭЛЕМЕНТНЫМИ БАЗАМИ КАЖДОГО ПОКОЛЕНИЯ.

1. I поколение
A. Интегральные схемы

2. II поколение
B. БИС и СБИС

3. III поколение
C. Электронно-вакуумные лампы

4. IV поколение
D. Транзисторы

Укажите запоминающие устройства, информация в которых сохраняется при выключении питания компьютера

ОЗУ
ПЗУ
винчестер
регистры процессора

Какое устройство выполняет преобразование звука из цифрового представления в аналоговое

акустические колонки
динамик
звуковая карта
микрофон

Какие из перечисленных устройств используются для ввода изображений в компьютер?

цифровой фотоаппарат
сканер
плоттер
принтер

Устройство ввода предназначено для:

передачи информации от человека компьютеру
обработки данных, которые вводятся
реализации алгоритмов обработки и передачи информации

Продолжить ряд, выбрав недостающее устройство из списка: МОНИТОР, ПРИНТЕР:

системный блок
клавиатура
наушники
графический планшет
фотокамера

Какие основные узлы компьютера располагаются в системном блоке?

монитор;
дисковод;
системная плата;
манипулятор "мышь";
блок питания.

Постоянно запоминающее устройство служит для:

хранения программ первоначальной загрузки компьютера и тестирования его основных узлов;
хранения программ пользователя во время работы
записи особо ценных прикладных программ
хранения постоянно используемых программ
постоянного хранения особо ценных документов

Какие из перечисленных ниже устройств используются для ввода информации в компьютер?

А- джойстик;
Б- динамики;
В- клавиатура;
Г- мышь;
Д- плоттер;
Е- принтер;
Ж- сканер;
З- стример.

Персональный компьютер не будет функционировать, если отключить:

дисковод
оперативную память
мышь
принтер

Выберите устройство для обработки информации:

лазерный диск
процессор
принтер
сканер

Во время выполнения прикладная программа хранится:

в видеопамяти
в процессоре
в оперативной памяти
на жестком диске
в постоянной памяти

Как называется устройство, выполняющее арифметические и логические операции и управляющее другими устройствами компьютера?

контроллер
клавиатура
монитор
процессор

Выберите из нижеперечисленных набор устройств, из которых можно собрать компьютер:

процессор, память, клавиатура
процессор, память, дисплей, клавиатура, дисковод
процессор, память, дисковод
процессор, память, дисплей, дисковод

Выберите из перечисленных периферийных устройств компьютера номера описанных устройств:

1 - устройство для подключения к Интернету через телефонную сеть;
2 - устройство для записи информации на магнитную ленту;
3 - устройство для вывода чертежа на бумагу;
4 - устройство для оцифровки изображений;
5 - устройство для копирования графической и текстовой информации

а - графопостроитель;
б - дигитайзер;
в - стример;
г - сканер;
д - модем

Выберите один из 4 вариантов ответа:
1) 1-а, 2-б, 3-в, 4-г, 5-д
2) 1-д, 2-в, 3-а, 4-б, 5-г
3) 1-в, 2-д, 3-а, 4-б, 5-г
4) 1-в, 2-б, 3-г, 4-д, 5-а

Для многих пользователей основополагающими критериями выбора процессора являются его тактовая частота и количество вычислительных ядер. А вот параметры кэш-памяти многие просматривают поверхностно, а то и вовсе не уделяют им должного внимания. А зря!

В данном материале поговорим об устройстве и назначении сверхбыстрой памяти процессора, а также ее влиянии на общую скорость работы персонального компьютера.

Предпосылки создания кэш-памяти

Любому пользователю, мало-мальски знакомому с компьютером, известно, что в составе ПК работает сразу несколько типов памяти. Это медленная постоянная память (классические жесткие диски или более быстрые SSD-накопители), быстрая оперативная память и сверхбыстрая кэш-память самого процессора. Оперативная память энергозависимая, поэтому каждый раз, когда вы выключаете или перезагружаете компьютер, все хранящиеся в ней данные очищаются, в отличие от постоянной памяти, в которой данные сохраняются до тех пор, пока это нужно пользователю. Именно в постоянную память записаны все программы и файлы, необходимые как для работы компьютера, так и для комфортной работы за ним.

Каждый раз при запуске программы из постоянной памяти, ее наиболее часто используемые данные или вся программа целиком «подгружаются» в оперативную память. Это делается для ускорения обработки данных процессором. Считывать и обрабатывать данные из оперативной памяти процессор будет значительно быстрей, а, следовательно, и система будет работать значительно быстрее в сравнении с тем, если бы массивы данных поступали напрямую из не очень быстрых (по меркам процессорных вычислений) накопителей.

Если бы не было «оперативки», то процесс считывания напрямую с накопителя занимал бы непозволительно огромное, по меркам вычислительной мощности процессора, время.

Но вот незадача, какой бы быстрой ни была оперативная память, процессор всегда работает быстрее. Процессор — это настолько сверхмощный «калькулятор», что произвести самые сложные вычисления для него — это даже не доля секунды, а миллионные доли секунды.

Производительность процессора в любом компьютере всегда ограничена скоростью считывания из оперативной памяти.

Процессоры развиваются так же быстро, как память, поэтому несоответствие в их производительности и скорости сохраняется. Производство полупроводниковых изделий постоянно совершенствуется, поэтому на пластину процессора, которая сохраняет те же размеры, что и 10 лет назад, теперь можно поместить намного больше транзисторов. Как следствие, вычислительная мощность за это время увеличилась. Впрочем, не все производители используют новые технологии для увеличения именно вычислительной мощности. К примеру, производители оперативной памяти ставят во главу угла увеличение ее емкости: ведь потребитель намного больше ценит объем, нежели ее быстродействие. Когда на компьютере запущена программа и процессор обращается к ОЗУ, то с момента запроса до получения данных из оперативной памяти проходит несколько циклов процессора. А это неправильно — вычислительная мощность процессора простаивает, и относительно медленная «оперативка» тормозит его работу.

Такое положение дел, конечно же, мало кого устраивает. Одним из вариантов решения проблемы могло бы стать размещение блока сверхбыстрой памяти непосредственно на теле кристалла процессора и, как следствие, его слаженная работа с вычислительным ядром. Но проблема, мешающая реализации этой идеи, кроется не в уровне технологий, а в экономической плоскости. Такой подход увеличит размеры готового процессора и существенно повысит его итоговую стоимость.

Объяснить простому пользователю, голосующему своими кровными сбережениями, что такой процессор самый быстрый и самый лучший, но за него придется отдать значительно больше денег — довольно проблематично. К тому же существует множество стандартов, направленных на унификацию оборудования, которым следуют производители «железа». В общем, поместить оперативную память прямо на кристалл процессора не представляется возможным по ряду объективных причин.

Как работает кэш-память

Как стало понятно из постановки задачи, данные должны поступать в процессор достаточно быстро. По меркам человека — это миг, но для вычислительного ядра — достаточно большой промежуток времени, и его нужно как можно эффективнее минимизировать. Вот здесь на выручку и приходит технология, которая называется кэш-памятью. Кэш-память — это сверхбыстрая память, которую располагают прямо на кристалле процессора. Извлечение данных из этой памяти не занимает столько времени, сколько бы потребовалось для извлечения того же объема из оперативной памяти, следовательно, процессор молниеносно получает все необходимые данные и может тут же их обрабатывать.

Кэш-память — это, по сути, та же оперативная память, только более быстрая и дорогая. Она имеет небольшой объем и является одним из компонентов современного процессора.

На этом преимущества технологии кэширования не заканчиваются. Помимо своего основного параметра — скорости доступа к ячейкам кэш-памяти, т. е. своей аппаратной составляющей, кэш-память имеет еще и множество других крутых функций. Таких, к примеру, как предугадывание, какие именно данные и команды понадобятся пользователю в дальнейшей работе и заблаговременная загрузка их в свои ячейки. Но не стоит путать это со спекулятивным исполнением, в котором часть команд выполняется рандомно, дабы исключить простаивание вычислительных мощностей процессора.

Спекулятивное исполнение — метод оптимизации работы процессора, когда последний выполняет команды, которые могут и не понадобиться в дальнейшем. Использование метода в современных процессорах довольно существенно повышает их производительность.

Речь идет именно об анализе потока данных и предугадывании команд, которые могут понадобиться в скором будущем (попадании в кэш). Это так называемый идеальный кэш, способный предсказать ближайшие команды и заблаговременно выгрузить их из ОЗУ в ячейки сверхбыстрой памяти. В идеале их надо выбирать таким образом, чтобы конечный результат имел нулевой процент «промахов».

Но как процессор это делает? Процессор что, следит за пользователем? В некоторой степени да. Он выгружает данные из оперативной памяти в кэш-память для того, чтобы иметь к ним мгновенный доступ, и делает это на основе предыдущих данных, которые ранее были помещены в кэш в этом сеансе работы. Существует несколько способов, увеличивающих число «попаданий» (угадываний), а точнее, уменьшающих число «промахов». Это временная и пространственная локальность — два главных принципа кэш-памяти, благодаря которым процессор выбирает, какие данные нужно поместить из оперативной памяти в кэш.

Временная локальность

Процессор смотрит, какие данные недавно содержались в его кэше, и снова помещает их в кэш. Все просто: высока вероятность того, что выполняя какие-либо задачи, пользователь, скорее всего, повторит эти же действия. Процессор подгружает в ячейки сверхбыстрой памяти наиболее часто выполняемые задачи и сопутствующие команды, чтобы иметь к ним прямой доступ и мгновенно обрабатывать запросы.

Пространственная локальность

Принцип пространственной локальности несколько сложней. Когда пользователь выполняет какие-то действия, процессор помещает в кэш не только данные, которые находятся по одному адресу, но еще и данные, которые находятся в соседних адресах. Логика проста — если пользователь работает с какой-то программой, то ему, возможно, понадобятся не только те команды, которые уже использовались, но и сопутствующие «слова», которые располагаются рядом.

Набор таких адресов называется строкой (блоком) кэша, а количество считанных данных — длиной кэша.

При пространственной локации процессор сначала ищет данные, загруженные в кэш, и, если их там не находит, то обращается к оперативной памяти.

Иерархия кэш-памяти

Любой современный процессор имеет в своей структуре несколько уровней кэш-памяти. В спецификации процессора они обозначаются как L1, L2, L3 и т. д.

Если провести аналогию между устройством кэш-памяти процессора и рабочим местом, скажем столяра или представителя любой другой профессии, то можно увидеть интересную закономерность. Наиболее востребованный в работе инструмент находится под рукой, а тот, что используется реже, расположен дальше от рабочей зоны.

Так же организована и работа быстрых ячеек кэша. Ячейки памяти первого уровня (L1) располагаются на кристалле в непосредственной близости от вычислительного ядра. Эта память — самая быстрая, но и самая малая по объему. В нее помещаются наиболее востребованные данные и команды. Для передачи данных оттуда потребуется всего около 5 тактовых циклов. Как правило, кэш-память первого уровня состоит из двух блоков, каждый из которых имеет размер 32 КБ. Один из них — кэш данных первого уровня, второй — кэш инструкций первого уровня. Они отвечают за работу с блоками данных и молниеносное обращение к командам.

Кэш второго и третьего уровня больше по объему, но за счет того, что L2 и L3 удалены от вычислительного ядра, при обращении к ним будут более длительные временные интервалы. Более наглядно устройство кэш-памяти проиллюстрировано в следующем видео.

Кэш L2, который также содержит команды и данные, занимает уже до 512 КБ, чтобы обеспечить необходимый объем данных кэшу нижнего уровня. Но на обработку запросов уходит в два раза больше времени. Кэш третьего уровня имеет размеры уже от 2 до 32 МБ (и постоянно увеличивается вслед за развитием технологий), но и его скорость заметно ниже. Она превышает 30 тактовых циклов.

Процессор запрашивает команды и данные, обрабатывая их, что называется, параллельными курсами. За счет этого и достигается потрясающая скорость работы. В качестве примера рассмотрим процессоры Intel. Принцип работы таков: в кэше хранятся данные и их адрес (тэг кэша). Сначала процессор ищет их в L1. Если информация не найдена (возник промах кэша), то в L1 будет создан новый тэг, а поиск данных продолжится на других уровнях. Для того, чтобы освободить место под новый тэг, информация, не используемая в данный момент, переносится на уровень L2. В результате данные постоянно перемещаются с одного уровня на другой.

Также при хранении одних и тех же данных могут задействоваться различные уровни кэша, например, L1 и L3. Это так называемые инклюзивные кэши. Использование лишнего объема памяти окупается скоростью поиска. Если процессор не нашел данные на нижнем уровне, ему не придется искать их на верхних уровнях кэша. В этом случае задействованы кэши-жертвы. Это полностью ассоциативный кэш, который используется для хранения блоков, вытесненных из кэша при замене. Он предназначен для уменьшения количества промахов. Например, кэши-жертвы L3 будут хранить информацию из L2. В то же время данные, которые хранятся в L2, остаются только там, что помогает сэкономить место в памяти, однако усложняет поиск данных: системе приходится искать необходимый тэг в L3, который заметно больше по размеру.

В некоторых политиках записи информация хранится в кэше и основной системной памяти. Современные процессоры работают следующим образом: когда данные пишутся в кэш, происходит задержка перед тем, как эта информация будет записана в системную память. Во время задержки данные остаются в кэше, после чего их «вытесняет» в ОЗУ.

Итак, кэш-память процессора — очень важный параметр современного процессора. От количества уровней кэша и объема ячеек сверхбыстрой памяти на каждом из уровней, во многом зависит скорость и производительность системы. Особенно хорошо это ощущается в компьютерах, ориентированных на гейминг или сложные вычисления.

ОЗУ или оперативная память - невероятно важная часть любого современного компьютера. Процессору (центральному процессору) компьютера необходимы данные и инструкции для выполнения работы. Эта информация должна храниться где-то. «Где-то» называется компьютерной памятью.

Существуют различные типы оперативной памяти, каждый со своими плюсами и минусами. Процессоры имеют очень маленький объем встроенной памяти, известный как «кэш» процессора. Эта память невероятно быстра и по сути является частью самого процессора. Тем не менее, это очень дорого и поэтому не может использоваться в качестве основной памяти компьютера. Раз уж мы заговорили о памяти, советую почитать тему «Как устранить потребление памяти в Windows».

Вот где оперативная память вступает в игру. Оперативная память поставляется в виде кремниевых компьютерных чипов, подключенных к шине памяти. Кэш-память на самом ЦП фактически является также формой ОЗУ, но когда этот термин обычно используется, он относится к этим микросхемам памяти, которые находятся за пределами ЦП.

Шина памяти - это просто выделенный набор схем, которые перемещают информацию между процессором и самой оперативной памятью. Операционная система переносит информацию с гораздо более медленного механического или твердотельного жесткого диска системы, подготавливая его к потребностям процессора. Например, когда видеоигра «загружается», данные перемещаются с жесткого диска в ОЗУ.

В качестве аналогии представьте, что RAM - это верх стола, а ящики - жесткий диск, а вы сами выступаете в роли процессора. Работать с предметами, находящимися на столе, очень легко и быстро, но места осталось совсем немного. Это означает, что вам нужно перемещать предметы между поверхностью стола и ящиками так, как вам нужно.

Компьютеры, смартфоны, игровые приставки и все другие типы вычислительных устройств, которые используются сегодня, имеют некоторый тип оперативной памяти. Мы рассмотрим каждый из них, объясним, как он работает и для чего он используется. В частности, мы рассмотрим следующие типы оперативной памяти:

Не волнуйтесь, если это звучит как пугающая тарабарщина. Вскоре все станет очень ясно.

SRAM - Статическая оперативная память

SRAM - один из двух основных типов оперативной памяти, он особенный, потому что его не нужно «обновлять», чтобы сохранить информацию, которую он хранит в данный момент. Пока в цепях течет энергия, информация остается там, где она есть.

SRAM построен из нескольких транзисторов (4-6) и невероятно быстр благодаря своей природе. Однако он относительно сложен и дорог, поэтому вы найдете его в ЦП, введенных в эксплуатацию как сверхбыстрая кэш-память.

Также существует небольшой объем SRAM-кэша, куда бы ни перемещались данные, но они могут быть узкими местами. Буферы жесткого диска - хороший пример этого варианта использования. Везде, где на устройстве имеется больше данных, есть вероятность, что SRAM поможет сгладить эту передачу.

DRAM - динамическая оперативная память

DRAM - это другой распространенный тип ОЗУ. Память DRAM построена с использованием транзисторов и конденсаторов. Если вы не обновите каждую ячейку памяти, она потеряет свое содержимое. Вот почему это называется «динамический», а не «статический».

DRAM намного медленнее, чем SRAM, но все же намного быстрее, чем вторичные устройства хранения, например жесткие диски. Это также намного дешевле, чем SRAM, и для компьютеров характерно наличие нескольких гигабайт DRAM на борту в качестве основного решения для оперативной памяти.

SDRAM - синхронная динамическая память с произвольным доступом

Некоторые люди думают, что SDRAM - это смесь SRAM и DRAM, но это не так! Это DRAM, который был синхронизирован с тактовой частотой процессора. Модуль DRAM будет ждать ЦПУ, прежде чем отвечать на запросы ввода данных. Благодаря синхронной природе и тому, как SDRAM-память сконфигурирована в банки, центральный процессор может выполнять несколько команд одновременно, что значительно повышает его общую производительность.

SDRAM - это базовая форма основного типа оперативной памяти, используемая сегодня на большинстве компьютеров. Он также известен как SDR SDRAM или синхронная динамическая память с произвольным доступом с единой скоростью передачи данных . Хотя это в основном тот же тип памяти, который используется сегодня в компьютерах, его ванильная SDR-форма в значительной степени устарела и заменена следующим типом ОЗУ в нашем списке.

Синхронная динамическая оперативная память с двойной скоростью передачи данных

Первое, что вы должны знать, это то, что существует несколько поколений памяти DDR. Первое поколение, которое в ретроспективе мы называем DDR1, удвоило скорость SDRAM, позволив операциям чтения и записи происходить как на пике, так и на спаде тактового цикла.

DDR2, DDR3 и сегодня DDR4 значительно улучшились по сравнению с первым поколением DDR. Производительность этих модулей памяти измеряется в мега-передачах в секунду или «MT / S». Одна мега передача по сути эквивалентна миллиону тактов. Самые быстрые чипы DDR первого поколения могут работать со скоростью 400 МТ / с. Скорость DDR4 может достигать 3200 МТ / с!

GDDR SDRAM - графическая память с произвольным доступом с двойной скоростью передачи данных

GDDR в настоящее время находится в шестом поколении и почти исключительно подключен к графическому процессору (графическому процессору) на видеокарте или игровой консоли . GDDR относится к обычной DDR, но предназначена для графических сценариев использования. Подчеркивая огромное количество полосы пропускания, в то же время меньше заботясь о малой задержке.

Другими словами, эта память не отвечает так же быстро, как обычная SDRAM, но она может перемещать больше информации сразу, когда она отвечает. Это идеально подходит для графических приложений, где требуется много гигабайт текстурных данных для рендеринга сцены, и небольшая задержка не имеет реального значения.

Несмотря на название, GDDR можно использовать как обычную системную оперативную память. Например, PlayStation 4 имеет единый пул памяти GDDR, который разработчики могут разделять по своему усмотрению, выделяя части для ЦП и ГП по мере необходимости.

HBM - высокоскоростная память

GDDR имеет конкурента в виде памяти HBM, которая представлена на ограниченном количестве видеокарт AMD. В настоящее время последняя версия - HBM 2, но пока неизвестно, вытеснит ли она GDDR или перестанет существовать.

Самая важная часть производительности памяти - это общий объем данных, которые могут быть сдвинуты в течение заданного промежутка времени. Один из способов сделать это - сделать память очень быстрой. Другой способ улучшить общую пропускную способность - сделать так, чтобы данные «канала» проходили шире.

Память HBM работает с более низкими необработанными тактовыми частотами, чем GDDR, но использует уникальный чип-дизайн в 3D-стеках, который обеспечивает очень широкий физический путь для передачи данных, а также значительно меньшие расстояния для сигналов, которые необходимо передавать. Конечным результатом является решение для памяти, которое имеет аналогичную общую пропускную способность по сравнению с GDDR, но с меньшей задержкой.

Проблема с HBM заключается в том, что он сложен в изготовлении, и благодаря его физическому дизайну пока невозможно достичь тех возможностей, которые тривиальны с GDDR. Если эти проблемы в конечном итоге будут преодолены, он может заменить GDDR, но нет никаких гарантий, что это произойдет.

Спасибо за внимание!

Должно быть очевидно, что ОЗУ является важным компонентом любого компьютера, и, если он работает неправильно, может быть трудно понять, в чем проблема на самом деле. В конце концов, жулик здесь или там может сделать вашу систему слегка нестабильной или быть за, казалось бы, случайными сбоями. Вот почему вы должны всегда выявлять наличие плохой оперативной памяти всякий раз, когда у вас есть необъяснимая проблема со стабильностью работы компьютера.

Однажды мы можем выйти за пределы оперативной памяти, но в обозримом будущем это станет важной частью головоломки о производительности вычислений, поэтому мы могли бы с ней познакомиться.

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.

Читайте также: