Сверхоперативная память процессора это
Обновлено: 07.07.2024
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.
Кэш (англ. cache [1] , произносится kæʃ кЭш) — промежуточный буфер с быстрым доступом, содержащий копию той информации, которая хранится в памяти с менее быстрым доступом, но с наибольшей вероятностью может быть оттуда запрошена. Доступ к данным в кэше идёт быстрее, чем выборка исходных данных из медленной памяти или их перевычисление, что делает среднее время доступа короче.
Содержание
История
Впервые слово «кэш» в компьютерном контексте было использовано в 1967 году во время подготовки статьи для публикации в журнале «IBM Systems Journal». Статья касалась усовершенствования памяти в разрабатываемой модели 85 из серии IBM System/360. Редактор журнала Лайл Джонсон попросил придумать более описательный термин, нежели «высокоскоростной буфер», но из-за отсутствия идей сам предложил слово «кэш». Статья была опубликована в начале 1968 года, авторы были премированы [2]
Функционирование
Кэш — это память с большей скоростью доступа, предназначенная для ускорения обращения к данным, содержащимся постоянно в памяти с меньшей скоростью доступа (далее «основная память»). Кэширование применяется ЦПУ, жёсткими дисками, браузерами и веб-серверами.
Кэш состоит из набора записей. Каждая запись ассоциирована с элементом данных или блоком данных (небольшой части данных), которая является копией элемента данных в основной памяти. Каждая запись имеет идентификатор, определяющий соответствие между элементами данных в кэше и их копиями в основной памяти.
Когда клиент кэша (ЦПУ, веб-браузер, операционная система) обращается к данным, прежде всего исследуется кэш. Если в кэше найдена запись с идентификатором, совпадающим с идентификатором затребованного элемента данных, то используются элементы данных в кэше. Такой случай называется попаданием кэша. Если в кэше не найдено записей, содержащих затребованный элемент данных, то он читается из основной памяти в кэш, и становятся доступным для последующих обращений. Такой случай называется промахом кэша. Процент обращений к кэшу, когда в нём найден результат, называется уровнем попаданий или коэффициентом попаданий в кэш.
Например, веб-браузер проверяет локальный кэш на диске на наличие локальной копии веб-страницы, соответствующей запрошенному URL. В этом примере URL — это идентификатор, а содержимое веб-страницы — это элементы данных.
Если кэш ограничен в объёме, то при промахе может быть принято решение отбросить некоторую запись для освобождения пространства. Для выбора отбрасываемой записи используются разные алгоритмы вытеснения.
При модификации элементов данных в кэше выполняется их обновление в основной памяти. Задержка во времени между модификацией данных в кэше и обновлением основной памяти управляется так называемой политикой записи.
В кэше с немедленной записью каждое изменение вызывает синхронное обновление данных в основной памяти.
В кэше с отложенной записью (или обратной записью) обновление происходит в случае вытеснения элемента данных, периодически или по запросу клиента. Для отслеживания модифицированных элементов данных записи кэша хранят признак модификации (изменённый или «грязный»). Промах в кэше с отложенной записью может потребовать два обращения к основной памяти: первое для записи заменяемых данных из кэша, второе для чтения необходимого элемента данных.
В случае, если данные в основной памяти могут быть изменены независимо от кэша, то запись кэша может стать неактуальной. Протоколы взаимодействия между кэшами, которые сохраняют согласованность данных, называют протоколами когерентности кэша.
Кэш центрального процессора
Ряд моделей центральных процессоров (ЦП) обладают собственным кэшем, для того чтобы минимизировать доступ к оперативной памяти (ОЗУ), которая медленнее, чем регистры. Кэш-память может давать значительный выигрыш в производительности, в случае когда тактовая частота ОЗУ значительно меньше тактовой частоты ЦП. Тактовая частота для кэш-памяти обычно ненамного меньше частоты ЦП.
Уровни кэша
Кэш центрального процессора разделён на несколько уровней. Для универсальных процессоров — до 3. Кэш-память уровня N+1 как правило больше по размеру и медленнее по скорости обращения и передаче данных, чем кэш-память уровня N.
Самой быстрой памятью является кэш первого уровня — L1-cache. По сути, она является неотъемлемой частью процессора, поскольку расположена на одном с ним кристалле и входит в состав функциональных блоков. Состоит из кэша команд и кэша данных. Некоторые процессоры без L1 кэша не могут функционировать. На других его можно отключить, но тогда значительно падает производительность процессора. L1 кэш работает на частоте процессора, и, в общем случае, обращение к нему может производиться каждый такт (зачастую является возможным выполнять даже несколько чтений/записей одновременно). Латентность доступа обычно равна 2−4 тактам ядра. Объём обычно невелик — не более 128 Кбайт.
Вторым по быстродействию является L2-cache — кэш второго уровня. Обычно он расположен либо на кристалле, как и L1, либо в непосредственной близости от ядра, например, в процессорном картридже (только в слотовых процессорах). В старых процессорах — набор микросхем на системной плате. Объём L2 кэша от 128 Кбайт до 1−12 Мбайт. В современных многоядерных процессорах кэш второго уровня, находясь на том же кристалле, является памятью раздельного пользования — при общем объёме кэша в 8 Мбайт на каждое ядро приходится по 2 Мбайта. Обычно латентность L2 кэша, расположенного на кристалле ядра, составляет от 8 до 20 тактов ядра. В отличие от L1 кэша, его отключение может не повлиять на производительность системы. Однако, в задачах, связанных с многочисленными обращениями к ограниченной области памяти, например, СУБД, производительность может упасть в десятки раз.
Кэш третьего уровня наименее быстродействующий и обычно расположен отдельно от ядра ЦП, но он может быть очень внушительного размера — более 32 Мбайт. L3 кэш медленнее предыдущих кэшей, но всё равно значительно быстрее, чем оперативная память. В многопроцессорных системах находится в общем пользовании.
Отключение кэша второго и третьего уровней обычно используется в математических задачах, например, при обсчёте полигонов, когда объём данных меньше размера кэша. В этом случае, можно сразу записать все данные в кэш, а затем производить их обработку.
Ассоциативность кэша
Одна из фундаментальных характеристик кэш-памяти — уровень ассоциативности — отображает её логическую сегментацию. Дело в том, что последовательный перебор всех строк кэша в поисках необходимых данных потребовал бы десятков тактов и свёл бы на нет весь выигрыш от использования встроенной в ЦП памяти. Поэтому ячейки ОЗУ жёстко привязываются к строкам кэш-памяти (в каждой строке могут быть данные из фиксированного набора адресов), что значительно сокращает время поиска. С каждой ячейкой ОЗУ может быть связано более одной строки кэш-памяти: например, n -канальная ассоциативность (англ. n -way set associative ) обозначает, что информация по некоторому адресу оперативной памяти может храниться в n местах кэш-памяти.
При одинаковом объеме кэша схема с большей ассоциативностью будет наименее быстрой, но наиболее эффективной.
Кэширование внешних накопителей
Многие периферийные устройства хранения данных используют кэш для ускорения работы, в частности, жёсткие диски используют кэш-память от 1 до 32 Мбайт (модели с поддержкой
Применение кэширования внешних накопителей обусловлено следующими факторами:
- скорость доступа процессора к оперативной памяти во много раз больше, чем к памяти внешних накопителей;
- некоторые блоки памяти внешних накопителей используются несколькими процессами одновременно и имеет смысл прочитать блок один раз, затем хранить одну копию блока в оперативной памяти для всех процессов;
- доступ к некоторым блокам оперативной памяти происходит гораздо чаще, чем к другим, поэтому использование кэширования для таких блоков в целом увеличивает производительность системы;
- для некоторых блоков памяти внешних накопителей не требуется непосредственной записи после модификации, и использование кэша для таких блоков оптимизирует использование ввода-вывода.
Кэширование, выполняемое операционной системой
Кэш оперативной памяти состоит из следующих элементов:
- набор страниц оперативной памяти, разделённых на буферы, равные по длине блоку данных соответствующего устройства внешней памяти;
- набор заголовков буферов, описывающих состояние соответствующего буфера; , содержащей соответствие номера блока заголовку;
- списки свободных буферов.
Алгоритм работы кэша с отложенной записью
Изначально все заголовки буферов помещаются в список свободных буферов. Если процесс намеревается прочитать или модифицировать блок, то он выполняет следующий алгоритм:
- пытается найти в хеш-таблице заголовок буфера с заданным номером;
- в случае, если полученный буфер занят, ждёт его освобождения;
- в случае, если буфер не найден в хеш-таблице, берёт первый буфер из хвоста списка свободных;
- в случае, если список свободных буферов пуст, то выполняется алгоритм вытеснения (см. ниже);
- в случае, если полученный буфер помечен как «грязный», выполняет асинхронную запись содержимого буфера во внешнюю память.
- удаляет буфер из хеш-таблицы, если он был помещён в неё;
- помещает буфер в хеш-таблицу с новым номером.
Процесс читает данные в полученный буфер и освобождает его. В случае модификации процесс перед освобождением помечает буфер как «грязный». При освобождении буфер помещается в голову списка свободных буферов.
- если процесс прочитал некоторый блок в буфер, то велика вероятность, что другой процесс при чтении этого блока найдёт буфер в оперативной памяти;
- запись данных во внешнюю память выполняется только тогда, когда не хватает «чистых» буферов, либо по запросу.
Алгоритм вытеснения
Если список свободных буферов пуст, то выполняется алгоритм вытеснения буфера. Алгоритм вытеснения существенно влияет на производительность кэша. Существуют следующие алгоритмы:
- LRU (Least Recently Used) — вытесняется буфер, неиспользованный дольше всех;
- MRU (Most Recently Used) — вытесняется последний использованный буфер;
- LFU (Least Frequently Used) — вытесняется буфер, использованный реже всех;
- ARC (англ.) (Adaptive Replacement Cache) — алгоритм вытеснения, комбинирующий LRU и LFU, запатентованный
Программное кэширование
Политика записи при кэшировании
При чтении данных кэш-память даёт однозначный выигрыш в производительности. При записи данных выигрыш можно получить только ценой снижения надёжности. Поэтому в различных приложениях может быть выбрана та или иная политика записи кэш-памяти..
Существуют две основные политики записи кэш-памяти — сквозная запись (write-through) и отложенная запись (write-back).
- сквозная запись подразумевает, что при изменении содержимого ячейки памяти, запись происходит синхронно и в кэш и в основную память.
- отложенная запись подразумевает, что можно отложить момент записи данных в основную память, а записать их только в кэш. При этом данные будут выгружены в оперативную память только в случае обращения к ним какого либо другого устройства (другой ЦП, контроллер DMA) либо нехватки места в кэше для размещения других данных. Производительность, по сравнению со сквозной записью, повышается, но это может поставить под угрозу целостность данных в основной памяти, поскольку программный или аппаратный сбой может привести к тому, что данные так и не будут переписаны из кэша в основную память. Кроме того, в случае кэширования оперативной памяти, когда используются два и более процессоров, нужно обеспечивать согласованность данных в разных кэшах.
Кэширование интернет-страниц
В процессе передачи информации по сети может использоваться кэширование интернет-страниц — процесс сохранения часто запрашиваемых документов на (промежуточных) прокси-серверах или машине пользователя, с целью предотвращения их постоянной загрузки с сервера-источника и уменьшения трафика. Таким образом, информация перемещается ближе к пользователю. Управление кэшированием осуществляется при помощи CMS конкретного сайта для снижения нагрузки на сервер при большой посещаемости. Кэширование может производится как в память, так и в файловый кэш (кэш на файлах).
Кэширование результатов работы
Многие программы записывают куда-либо промежуточные или вспомогательные результаты работы, чтобы не вычислять их каждый раз, когда они понадобятся. Это ускоряет работу, но требует дополнительной памяти (оперативной или дисковой). Примером такого кэширования является индексирование баз данных.
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.
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 о Raptoreum. Важно! Не поддавайтесь на провокации, относительно этой криптовалюты, которая добывается на мощностях кэш-памяти центральных процессоров! Чем больше кэш-память второго и любого последующего уровня (при его наличии), тем быстрее происходят расчёты, результатом которых является условный доход. Так как сейчас на рынке именно у процессоров AMD самый «жирный» кэш, то наличие их на полках магазинов и соответственно рекомендованной стоимости этих процессоров под угрозой со стороны новой криптовалюты. Под удар могут попасть старейшие модели AMD Ryzen и все Threadripper.
MSI RTX 3070 сливают дешевле любой другой, это за копейки Дешевая 3070 Gigabyte Gaming - успей пока не началосьА 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
var firedYa28 = false; window.addEventListener('load', () => < if(navigator.userAgent.indexOf("Chrome-Lighthouse") < window.yaContextCb.push(()=>< Ya.Context.AdvManager.render(< renderTo: 'yandex_rtb_R-A-630193-28', blockId: 'R-A-630193-28' >) >) >, 3000); > > >);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.
Во времена Pentium 4 случилось еще одно важное событие: у Pentium 4 Extreme Edition впервые появился L3 кэш. До этого момента в десктопах такого явления не было. Объем L3 равнялся «жирным» 2 мегабайтам, что положительно влияло на производительность и цену процессора.
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.
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.
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.
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.
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.
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: