¿Cómo funciona la caché de la CPU? ¿Qué son la caché L1, L2 y L3?
Los procesadores de computadora han avanzado bastante en los últimos años. Los transistores se vuelven más pequeños cada año y los avances están llegando a un punto en el que la Ley de Moore se está volviendo redundante.
Cuando se trata de procesadores, no solo cuentan los transistores y las frecuencias, sino también el caché.
Es posible que haya oído hablar de la memoria caché cuando se habla de las CPU (unidades centrales de procesamiento). Sin embargo, no prestamos suficiente atención a estos números de la memoria caché de la CPU, ni son lo más destacado de los anuncios de la CPU.
Entonces, ¿qué tan importante es la memoria caché de la CPU y cómo funciona?
¿Qué es la memoria caché de la CPU?
En pocas palabras, una memoria caché de la CPU es simplemente un tipo de memoria realmente rápido. En los primeros días de la informática, la velocidad del procesador y la velocidad de la memoria eran bajas. Sin embargo, durante la década de 1980, la velocidad del procesador comenzó a aumentar rápidamente. La memoria del sistema en ese momento (RAM) no podía hacer frente o igualar las crecientes velocidades de la CPU, por lo que nació un nuevo tipo de memoria ultrarrápida: la memoria caché de la CPU.
Ahora, su computadora tiene varios tipos de memoria en su interior.
Existe un almacenamiento primario, como un disco duro o SSD, que almacena la mayor parte de los datos: el sistema operativo y los programas.
A continuación, tenemos la memoria de acceso aleatorio, comúnmente conocida como RAM . Es mucho más rápido que el almacenamiento primario, pero es solo un medio de almacenamiento a corto plazo. Su computadora y los programas en ella usan RAM para almacenar datos a los que accede con frecuencia, lo que ayuda a que las acciones en su computadora sean agradables y rápidas.
Por último, la CPU tiene unidades de memoria aún más rápidas dentro de sí misma, conocidas como caché de memoria de la CPU.
La memoria de la computadora tiene una jerarquía basada en su velocidad operativa. El caché de la CPU se encuentra en la parte superior de esta jerarquía, siendo el más rápido. También es el más cercano al lugar donde ocurre el procesamiento central, siendo parte de la propia CPU.
La memoria de la computadora también viene en diferentes tipos.
La memoria caché es una forma de RAM estática (SRAM), mientras que la RAM de su sistema normal se conoce como RAM dinámica (DRAM). La RAM estática puede contener datos sin necesidad de actualizarse constantemente, a diferencia de la DRAM, que hace que la SRAM sea ideal para la memoria caché.
¿Cómo funciona la caché de la CPU?
Los programas y aplicaciones en su computadora están diseñados como un conjunto de instrucciones que la CPU interpreta y ejecuta. Cuando ejecuta un programa, las instrucciones van desde el almacenamiento principal (su disco duro) hasta la CPU. Aquí es donde entra en juego la jerarquía de la memoria.
Los datos primero se cargan en la RAM y luego se envían a la CPU. Las CPU en estos días son capaces de ejecutar una cantidad gigantesca de instrucciones por segundo. Para hacer un uso completo de su poder, la CPU necesita acceso a una memoria súper rápida, que es donde entra la caché de la CPU.
El controlador de memoria toma los datos de la RAM y los envía al caché de la CPU. Dependiendo de su CPU, el controlador se encuentra en la CPU o el chipset Northbridge que se encuentra en su placa base.
Luego, la memoria caché lleva a cabo el intercambio de datos dentro de la CPU. La jerarquía de memoria también existe dentro de la memoria caché de la CPU.
Los niveles de la memoria caché de la CPU: L1, L2 y L3
La memoria caché de la CPU se divide en tres "niveles": L1, L2 y L3. De nuevo, la jerarquía de la memoria depende de la velocidad y, por tanto, del tamaño del caché.
Entonces, ¿el tamaño de la memoria caché de la CPU influye en el rendimiento?
Caché L1
La caché L1 (Nivel 1) es la memoria más rápida que está presente en un sistema informático. En términos de prioridad de acceso, la caché L1 tiene los datos que es más probable que necesite la CPU al completar una determinada tarea.
El tamaño de la caché L1 depende de la CPU. Algunas CPU de consumo de gama alta ahora cuentan con una caché L1 de 1 MB, como la Intel i9-9980XE, pero cuestan una gran cantidad de dinero y todavía son pocas y distantes entre sí. Algunos conjuntos de chips de servidor, como la gama Xeon de Intel, también cuentan con una memoria caché L1 de 1-2 MB.
No hay un tamaño de caché L1 "estándar", por lo que debe verificar las especificaciones de la CPU para determinar el tamaño exacto de la caché de memoria L1 antes de comprar.
La caché L1 generalmente se divide en dos secciones: la caché de instrucciones y la caché de datos. La caché de instrucciones se ocupa de la información sobre la operación que debe realizar la CPU, mientras que la caché de datos contiene los datos sobre los que se realizará la operación.
Caché L2
La caché L2 (Nivel 2) es más lenta que la caché L1 pero de mayor tamaño. Donde una caché L1 puede medir en kilobytes, las cachés de memoria L2 modernas miden en megabytes. Por ejemplo, el Ryzen 5 5600X de alta calificación de AMD tiene un caché L1 de 384 KB y un caché L2 de 3 MB (más un caché L3 de 32 MB).
El tamaño de la caché L2 varía según la CPU, pero su tamaño suele oscilar entre 256 KB y 8 MB. La mayoría de las CPU modernas incluirán más de una caché L2 de 256 KB, y este tamaño ahora se considera pequeño. Además, algunas de las CPU modernas más potentes tienen un caché de memoria L2 más grande, que supera los 8 MB.
Cuando se trata de velocidad, el caché L2 va por detrás del caché L1, pero sigue siendo mucho más rápido que la RAM de su sistema. El caché de memoria L1 suele ser 100 veces más rápido que su RAM, mientras que el caché L2 es alrededor de 25 veces más rápido.
Caché L3
En la caché L3 (Nivel 3). En los primeros días, la memoria caché L3 se encontraba en la placa base. Esto fue hace mucho tiempo, cuando la mayoría de las CPU eran procesadores de un solo núcleo. Ahora, la caché L3 de su CPU puede ser enorme, con CPU de consumo de gama alta con cachés L3 de hasta 32 MB. Algunas cachés de CPU L3 de servidor pueden superar esto, con hasta 64 MB.
La caché L3 es la unidad de memoria caché más grande pero también la más lenta. Las CPU modernas incluyen la caché L3 en la propia CPU. Pero mientras que el caché L1 y L2 existen para cada núcleo en el chip mismo, el caché L3 es más parecido a un grupo de memoria general que todo el chip puede utilizar.
La siguiente imagen muestra los niveles de caché de memoria de la CPU para una CPU Intel Core i5-3570K:
Observe cómo la caché L1 se divide en dos, mientras que L2 y L3 son más grandes respectivamente.
¿Cuánta memoria caché de CPU necesito?
Buena pregunta. Más es mejor, como era de esperar. Las CPU más recientes incluirán naturalmente más memoria caché de CPU que las generaciones anteriores, con una memoria caché potencialmente más rápida también. Una cosa que puede hacer es aprender a comparar CPU de manera efectiva . Hay mucha información disponible, y aprender a comparar y contrastar diferentes CPU puede ayudarlo a tomar la decisión de compra correcta.
¿Cómo se mueven los datos entre las memorias caché de la CPU?
La gran pregunta: ¿cómo funciona la memoria caché de la CPU?
En sus términos más básicos, los datos fluyen desde la RAM a la caché L3, luego a la L2 y finalmente a la L1. Cuando el procesador busca datos para realizar una operación, primero intenta encontrarlos en la caché L1. Si la CPU lo encuentra, la condición se denomina acierto de caché. Luego procede a encontrarlo en L2 y luego en L3.
Si la CPU no encuentra los datos en ninguna de las cachés de memoria, intenta acceder a ellos desde la memoria del sistema (RAM). Cuando eso sucede, se conoce como falta de caché.
Ahora, como sabemos, la caché está diseñada para acelerar el intercambio de información entre la memoria principal y la CPU. El tiempo necesario para acceder a los datos de la memoria se denomina "latencia".
La memoria caché L1 tiene la latencia más baja, siendo la más rápida y cercana al núcleo, y la L3 tiene la más alta. La latencia de la memoria caché aumenta cuando hay una falta de memoria caché, ya que la CPU tiene que recuperar los datos de la memoria del sistema.
La latencia continúa disminuyendo a medida que las computadoras se vuelven más rápidas y eficientes. La RAM DDR4 de baja latencia y los SSD ultrarrápidos reducen la latencia, lo que hace que todo su sistema sea más rápido que nunca. En eso, la velocidad de la memoria de su sistema también es importante.
El futuro de la memoria caché de la CPU
El diseño de la memoria caché siempre está evolucionando, especialmente a medida que la memoria se vuelve más barata, más rápida y más densa. Por ejemplo, una de las innovaciones más recientes de AMD es Smart Access Memory y Infinity Cache , las cuales aumentan el rendimiento de la computadora.