O que é cache l1, l2 e l3 e como ele funciona?

Você já ouviu falar do cache L1, L2 e L3 ? Certamente sim, mas se você não tiver certeza do que esses níveis de cache realmente significam, neste artigo, tentaremos explicar tudo da melhor maneira possível. A partir de agora você entenderá melhor as características de memória de um processador.

Você já saberá que um dos componentes mais importantes de um computador é a memória, falamos naturalmente da memória RAM, aquela em que todos os programas e sistemas operacionais são carregados para serem usados ​​pelo processador ou pela necessidade de acessar o disco difícil.

A RAM é muito mais rápida que um disco rígido, especialmente do que unidades mecânicas. Mas ainda há uma memória mais rápida em nosso computador, especificamente dentro de nosso processador, e essa é a memória cache, que é o que veremos hoje.

Índice de conteúdo

Qual é a memória cache de uma CPU

A primeira coisa que precisamos saber é qual é o cache em geral. Como já dissemos, dentro de um PC existem vários tipos de memória e, precisamente, a memória cache será a mais rápida de todas.

Níveis de armazenamento

Para começar, na primeira etapa, teremos o armazenamento primário, que sem dúvida é um disco rígido. Nelas, todas as informações são armazenadas permanentemente; a partir disso, o sistema operacional cria um PC funcional. É a memória mais lenta, de cerca de 150 MB / s em um HDD (disco rígido mecânico) aos impressionantes 3.500 MB / s dos SSDs mais rápidos do mercado.

Segundo, teremos memória de acesso aleatório ou RAM. É uma memória de estado sólido menor, que não é capaz de armazenar dados permanentemente e atua como um gateway entre o disco rígido e o processador. Oferece uma velocidade superior a 30.000 MB / s em DDR4. A memória também é chamada de DRAM (Dynamic RAM) porque precisa ser constantemente atualizada para evitar a perda de informações.

O terceiro nível, o mais rápido

E finalmente chegamos ao que está no topo, o cache. É uma memória muito pequena que é instalada dentro de seu próprio microprocessador e do tipo SRAM (Static RAM). É muito mais caro fabricar do que a RAM normal e pode armazenar dados sem ser constantemente atualizado.

O fato de ser instalado dentro da CPU o torna o mais próximo dos núcleos de processamento, e é por isso que deve ser muito rápido. De fato, atinge velocidades acima de 200 GB / se latências de cerca de 10 ou 11 ns (nanossegundos). A memória cache é responsável por armazenar as instruções que serão iminentemente processadas pela CPU, para que possa acessá-las o mais rápido possível.

Por sua vez, a memória cache é dividida em vários níveis, cada um mais rápido, menor e mais próximo do processador. Atualmente, os processadores possuem um total de três níveis de memória cache. Antes de entrarmos nisso, vamos dar uma rápida olhada em como um cache funciona.

Como funciona o cache

Você pode não saber, mas praticamente todos os periféricos e elementos de um computador têm sua própria memória cache, por exemplo, os próprios discos rígidos, a impressora e, é claro, as GPUs das placas gráficas. E a função de todos eles, incluindo a de uma CPU, será a mesma.

Como sabemos, um computador é "inteligente", graças ao sistema operacional e seus programas. Cada um desses programas é criado a partir de uma linguagem de programação, que por sua vez é um conjunto de instruções que devem ser executadas de maneira ordenada na CPU. Dizemos de maneira ordenada, porque é nesse ponto que estabelecer diferentes níveis de armazenamento faz sentido.

Os dados são armazenados de forma fixa nos discos rígidos, mas, como são muito lentos e "distantes" da CPU, são carregados anteriormente na memória RAM, um armazenamento muito mais rápido e usado apenas para os programas que são funcionamento.

O controlador de memória entra em jogo

Mas ainda não é suficiente, porque as CPUs de hoje são tão rápidas e capazes de executar milhões de operações a cada segundo em cada núcleo, o cache entra. Dentro da CPU, há um controlador de memória, que é basicamente o que era chamado anteriormente de ponte norte ou ponte norte e era um chip instalado na placa-mãe. Bem, este controlador de memória agora está dentro da CPU e é encarregado de seguir as instruções que serão executadas a partir da memória RAM e também de retornar os resultados do ciclo de processamento.

Mas também existem dois tipos de barramentos encarregados de comunicar a CPU com a memória RAM, chamados de barramento de dados e barramento de endereços:

• Barramento de dados: são basicamente as faixas onde circulam os dados e as instruções. Haverá um barramento de dados que comunica a RAM, o cache e os núcleos entre si. Barramento de endereço: é um canal independente em que a CPU solicita o endereço de memória onde os dados estão localizados. As instruções são armazenadas nas células de memória, que possuem um endereço, e a RAM, o cache e a CPU devem conhecê-lo para localizar os dados em questão.

Cache L1, L2 e L3

Até agora, já entendemos muito bem como o armazenamento funciona em um PC e como o cache funciona. Mas devemos saber que existe um cache L1, L2 e L3 dentro da CPU, parece incrível que algo tão pequeno se encaixa tanto, certo? Para esses três níveis de memória cache, atendem a uma hierarquia de velocidade e, é claro, de capacidade.

Memória cache L1

O cache L1 é a configuração mais rápida, a mais próxima dos núcleos. Isso armazena os dados que serão usados ​​imediatamente pela CPU, e é por isso que as velocidades estão em torno de 1150 GB / se a latência é de apenas 0, 9 ns.

O tamanho dessa memória cache é de aproximadamente 256 KB no total, embora, dependendo da energia (e do custo) da CPU, seja menor ou mais, na verdade, os processadores de estação de trabalho, como o Intel Core i9-7980 XE, têm alguns 1152 KB no total.

Esse cache L1 é dividido em dois tipos, o cache de dados L1 e o cache de instruções L1, o primeiro é responsável por armazenar os dados a serem processados ​​e o segundo armazena as informações sobre a operação a ser executada (adição, subtração, multiplicação, etc).

Além disso, cada núcleo possui seus próprios caches L1, portanto, se tivermos um processador de 6 núcleos, teremos 6 caches L1 divididos em L1 D e L1 I. Nos processadores Intel, cada um tem 32 KB e em Os processadores AMD também têm 32 KB ou 64 KB no L1 I. É claro que eles variam de acordo com a qualidade e o poder, como sempre.

Memória cache L2

O próximo que encontraremos será o cache L2 ou nível 2. Isso tem mais capacidade de armazenamento, embora seja um pouco mais lento, com latência de cerca de 470 GB / se 2, 8 ns. O tamanho do armazenamento geralmente varia entre 256 KB e 18 MB. Já vemos que são capacidades consideráveis ​​para as velocidades com que lidamos.

As instruções e os dados são armazenados nele e em breve serão utilizados pela CPU e, nesse caso , não serão divididos em instruções e dados. Mas temos um cache L2 para cada núcleo, pelo menos esse é o caso dos processadores mais relevantes. Para cada núcleo, geralmente existem 256, 512 ou até 1024 KB.

Memória cache L3

Finalmente, encontraremos o cache L3, que possui um espaço dedicado no chip do processador. Será o maior e também o mais lento. Estamos falando de mais de 200 GB / se 11 ns de latência.

Atualmente, um processador digno terá pelo menos 4 MB de cache L3 e unidades de até 64 MB podem ser vistas. O L3 normalmente está espalhado por cerca de 2 MB por núcleo, mas digamos que não esteja dentro de cada núcleo, portanto, há um barramento de dados para se comunicar com eles. A solvência e a velocidade de uma CPU dependem amplamente desse barramento e da própria memória RAM, e é aqui que a Intel obtém sua energia da AMD.

Como saber o cache L1, L2 e L3 do meu processador

Bem, uma das maneiras mais rápidas de conhecer essas informações é baixar a ferramenta CPU-Z, que é totalmente gratuita e fornecerá informações muito completas sobre sua CPU. Até os três níveis e a quantidade de armazenamento para cada um. Você pode baixá-lo em seu site oficial.

Você também pode colocar a marca e o modelo no navegador e acessar a página do fabricante, embora eles geralmente forneçam apenas informações sobre o cache L3. Obviamente, em todas as nossas análises de processadores, fornecemos informações completas sobre o cache de cada CPU e comparamos seu desempenho.

Latência, largura do barramento e falta de cache

Entendemos que os dados fluem do disco rígido para o núcleo de processamento por todos os níveis de memória. Onde o processador procura primeiro a próxima instrução a ser processada, está na memória cache, um sistema de qualidade deve saber como localizar corretamente os dados com base em sua importância, a fim de minimizar o tempo de acesso a eles, chamado latência.

Latência é o tempo que leva para acessar os dados da memória. Quanto mais lenta e mais lenta, maior latência e mais tempo a CPU terá que esperar pela próxima instrução. Portanto, quando uma instrução não está localizada na memória cache, o processador deve procurá-la diretamente na memória RAM, isso é chamado de falta de cache ou falta de cache, quando ocorre um PC mais lento.

A largura do barramento também é de grande importância para a velocidade, pois marca a capacidade de transferir blocos maiores de dados da memória para a CPU. Tanto a CPU quanto a RAM são de 64 bits, mas a função Dual Channel é capaz de duplicar essa capacidade para 128 bits, para que a transferência entre esses elementos tenha maior capacidade.

Conclusão sobre a memória cache L1, L2 e L3

Sempre olhamos muito para o número de núcleos e a velocidade de um processador, é claro que ele determina em grande parte a velocidade total dele. Mas um elemento que geralmente não é levado em consideração é a memória cache, e é essencial quando se trata de ter um processador poderoso.

Ter uma CPU de 6 núcleos com 4 ou 16 MB de cache L3, por exemplo, será muito significativo quando se trata de medir seu desempenho, especialmente quando temos vários programas abertos. Portanto, de agora em diante, dê uma boa olhada nesta seção quando decidir comprar um processador, porque nem tudo depende da frequência.

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Esperamos que todas essas informações tenham sido úteis para você saber mais sobre os processadores e a memória cache. Se você tiver dúvidas, pode nos perguntar na caixa de comentários. Vejo você no próximo tutorial!