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I processori dei computer sono molto avanzati negli ultimi anni. I transistor diventano più piccoli ogni anno e i progressi stanno raggiungendo un punto in cui la legge di Moore sta diventando ridondante.
Quando si tratta di processori, non contano solo i transistor e le frequenze, ma anche la cache.
Potresti aver sentito parlare della memoria cache quando si parla di CPU (Central Processing Unit). Tuttavia, non prestiamo sufficiente attenzione a questi numeri di memoria cache della CPU, né sono l'evidenziazione principale degli annunci della CPU.
Quindi, quanto è importante la cache della CPU e come funziona?
Che cos'è la memoria cache della CPU?
In parole povere, una cache di memoria della CPU è solo un tipo di memoria molto veloce. Nei primi giorni dell'informatica, la velocità del processore e la velocità della memoria erano basse. Tuttavia, durante gli anni '80, le velocità dei processori iniziarono ad aumentare rapidamente. La memoria di sistema in quel momento (RAM) non poteva far fronte o eguagliare le crescenti velocità della CPU, e così nacque un nuovo tipo di memoria ultraveloce: la memoria cache della CPU.
Ora, il tuo computer ha più tipi di memoria al suo interno.
Esiste una memoria primaria, come un disco rigido o SSD, che memorizza la maggior parte dei dati: il sistema operativo e i programmi.
Successivamente, abbiamo la memoria ad accesso casuale, comunemente noto come RAM . Questo è molto più veloce dell'archiviazione primaria, ma è solo un supporto di archiviazione a breve termine. Il tuo computer e i programmi su di esso utilizzano la RAM per memorizzare i dati a cui si accede di frequente, contribuendo a mantenere le azioni sul tuo computer piacevoli e veloci.
Infine, la CPU ha al suo interno unità di memoria ancora più veloci, note come cache di memoria della CPU.
La memoria del computer ha una gerarchia basata sulla sua velocità operativa. La cache della CPU si trova in cima a questa gerarchia, essendo la più veloce. È anche il più vicino a dove avviene l'elaborazione centrale, essendo parte della CPU stessa.
Anche la memoria del computer è disponibile in diversi tipi.
La memoria cache è una forma di RAM statica (SRAM), mentre la normale RAM di sistema è nota come RAM dinamica (DRAM). La RAM statica può contenere dati senza bisogno di essere costantemente aggiornata, a differenza della DRAM, che rende la SRAM ideale per la memoria cache.
Come funziona la cache della CPU?
I programmi e le app sul tuo computer sono progettati come un insieme di istruzioni che la CPU interpreta ed esegue. Quando esegui un programma, le istruzioni passano dalla memoria principale (il tuo disco rigido) alla CPU. È qui che entra in gioco la gerarchia della memoria.
I dati vengono prima caricati nella RAM e quindi inviati alla CPU. Le CPU di questi tempi sono in grado di eseguire un numero gigantesco di istruzioni al secondo. Per sfruttare appieno la sua potenza, la CPU ha bisogno di accedere alla memoria super veloce, che è il punto in cui entra in gioco la cache della CPU.
Il controller di memoria prende i dati dalla RAM e li invia alla cache della CPU. A seconda della tua CPU, il controller si trova sulla CPU o il chipset Northbridge trovato sulla tua scheda madre.
La cache di memoria esegue quindi l'avanti e indietro dei dati all'interno della CPU. La gerarchia della memoria esiste anche all'interno della cache della CPU.
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I livelli di memoria cache della CPU: L1, L2 e L3
La memoria cache della CPU è divisa in tre 'livelli': L1, L2 e L3. La gerarchia della memoria è di nuovo in base alla velocità e, quindi, alla dimensione della cache.
Quindi, le dimensioni della cache della CPU fanno la differenza per le prestazioni?
L1 cache
La cache L1 (Livello 1) è la memoria più veloce presente in un sistema informatico. In termini di priorità di accesso, la cache L1 contiene i dati di cui è più probabile che la CPU abbia bisogno durante il completamento di un determinato compito.
La dimensione della cache L1 dipende dalla CPU. Alcune CPU consumer di fascia alta ora dispongono di una cache L1 da 1 MB, come l'Intel i9-9980XE, ma costano un'enorme quantità di denaro e sono ancora poche e lontane tra loro. Alcuni chipset per server, come la gamma Xeon di Intel, dispongono anche di una cache di memoria L1 da 1-2 MB.
Non esiste una dimensione della cache L1 'standard', quindi è necessario controllare le specifiche della CPU per determinare l'esatta dimensione della cache di memoria L1 prima dell'acquisto.
La cache L1 è solitamente divisa in due sezioni: la cache delle istruzioni e la cache dei dati. La cache delle istruzioni si occupa delle informazioni sull'operazione che la CPU deve eseguire, mentre la cache dei dati contiene i dati su cui deve essere eseguita l'operazione.
L2 cache
La cache L2 (Livello 2) è più lenta della cache L1 ma di dimensioni maggiori. Laddove una cache L1 può misurare in kilobyte, le moderne cache di memoria L2 misurano in megabyte. Ad esempio, il Ryzen 5 5600X di AMD ha una cache L1 da 384 KB e una cache L2 da 3 MB (più una cache L3 da 32 MB).
La dimensione della cache L2 varia a seconda della CPU, ma la sua dimensione è in genere compresa tra 256 KB e 8 MB. La maggior parte delle CPU moderne conterrà più di una cache L2 da 256 KB e questa dimensione è ora considerata piccola. Inoltre, alcune delle CPU moderne più potenti hanno una cache di memoria L2 più grande, superiore a 8 MB.
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Quando si tratta di velocità, la cache L2 è in ritardo rispetto alla cache L1, ma è ancora molto più veloce della RAM di sistema. La cache di memoria L1 è in genere 100 volte più veloce della RAM, mentre la cache L2 è circa 25 volte più veloce.
L3 cache
Nella cache L3 (Livello 3). All'inizio, la cache di memoria L3 veniva effettivamente trovata sulla scheda madre. Questo è stato molto tempo fa, quando la maggior parte delle CPU erano solo processori single-core. Ora, la cache L3 nella tua CPU può essere enorme, con CPU consumer di fascia alta con cache L3 fino a 32 MB. Alcune cache L3 della CPU del server possono superare questo limite, con un massimo di 64 MB.
La cache L3 è l'unità di memoria cache più grande ma anche la più lenta. Le moderne CPU includono la cache L3 sulla CPU stessa. Ma mentre la cache L1 e L2 esistono per ogni core sul chip stesso, la cache L3 è più simile a un pool di memoria generale che l'intero chip può utilizzare.
L'immagine seguente mostra i livelli di cache di memoria della CPU per una CPU Intel Core i5-3570K:
Nota come la cache L1 è divisa in due, mentre L2 e L3 sono rispettivamente più grandi.
Di quanta memoria cache della CPU ho bisogno?
È una buona domanda. Più è meglio, come ci si potrebbe aspettare. Le ultime CPU includeranno naturalmente più memoria cache della CPU rispetto alle generazioni precedenti, con anche una memoria cache potenzialmente più veloce. Una cosa che puoi fare è imparare come confrontare efficacemente le CPU . Ci sono molte informazioni là fuori e imparare a confrontare e confrontare diverse CPU può aiutarti a prendere la giusta decisione di acquisto.
Come si spostano i dati tra le cache di memoria della CPU?
La grande domanda: come funziona la memoria cache della CPU?
Nei suoi termini più elementari, i dati fluiscono dalla RAM alla cache L3, quindi L2 e infine L1. Quando il processore cerca i dati per eseguire un'operazione, cerca prima di trovarli nella cache L1. Se la CPU lo trova, la condizione è chiamata cache hit. Quindi procede a trovarlo in L2 e poi in L3.
Se la CPU non trova i dati in nessuna delle cache di memoria, tenta di accedervi dalla memoria di sistema (RAM). Quando ciò accade, è noto come cache miss.
Ora, come sappiamo, la cache è progettata per accelerare il passaggio di informazioni tra la memoria principale e la CPU. Il tempo necessario per accedere ai dati dalla memoria è chiamato 'latenza'.
La memoria cache L1 ha la latenza più bassa, essendo la più veloce e vicina al core, e L3 ha la più alta. La latenza della cache di memoria aumenta quando si verifica un errore di cache poiché la CPU deve recuperare i dati dalla memoria di sistema.
La latenza continua a diminuire man mano che i computer diventano più veloci ed efficienti. La RAM DDR4 a bassa latenza e gli SSD super veloci riducono la latenza, rendendo l'intero sistema più veloce che mai. In questo, anche la velocità della memoria di sistema è importante.
Il futuro della memoria cache della CPU
Il design della memoria cache è in continua evoluzione, soprattutto perché la memoria diventa più economica, più veloce e più densa. Ad esempio, una delle innovazioni più recenti di AMD è Smart Access Memory e Infinity Cache, che aumentano entrambe le prestazioni del computer.
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Gavin è l'editor junior per Windows and Technology Explained, un collaboratore regolare del podcast Really Useful e un revisore regolare del prodotto. Ha una laurea (Hons) in scrittura contemporanea con pratiche di arte digitale saccheggiata dalle colline del Devon, oltre a oltre un decennio di esperienza di scrittura professionale. Ama abbondanti quantità di tè, giochi da tavolo e calcio.
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