Datorprocessorer har avancerat en hel del de senaste åren. Transistorer blir mindre för varje år, och framstegen når en punkt där Moores lag blir överflödig.
När det kommer till processorer är det inte bara transistorerna och frekvenserna som räknas utan även cachen.
Du kanske har hört talas om cacheminne när processorer (Central Processing Units) diskuteras. Vi ägnar dock inte tillräckligt mycket uppmärksamhet åt dessa CPU-cache-minnesnummer, och de är inte heller den primära höjdpunkten i CPU-reklam.
Så exakt hur viktig är CPU-cache och hur fungerar det?
Vad är CPU-cacheminne?
Enkelt uttryckt är en CPU-minnescache bara en riktigt snabb typ av minne. Under de första dagarna av datoranvändning var processorhastigheten och minneshastigheten låg. Men under 1980-talet började processorhastigheterna öka – snabbt. Systemminnet vid den tiden (RAM) kunde inte hantera eller matcha de ökande CPU-hastigheterna, och så en ny typ av ultrasnabbt minne föddes: CPU-cacheminne.
Nu har din dator flera typer av minne inuti.
Det finns primär lagring, som en hårddisk eller SSD, som lagrar huvuddelen av data – operativsystemet och programmen.
Nästa upp har vi Random Access Memory, allmänt känt som RAM. Detta är mycket snabbare än den primära lagringen men är bara ett korttidslagringsmedium. Din dator och programmen på den använder RAM-minne för att lagra data som du ofta använder, vilket hjälper till att hålla handlingar på din dator snabba.
Slutligen har CPU:n ännu snabbare minnesenheter inom sig, känd som CPU-minnescache.
Datorminne har en hierarki baserad på dess driftshastighet. CPU-cachen står högst upp i den här hierarkin och är den snabbaste. Det är också närmast där den centrala bearbetningen sker, eftersom den är en del av själva CPU:n.
Datorminne finns också i olika typer.
Cacheminne är en form av statiskt RAM (SRAM), medan ditt vanliga system-RAM är känt som Dynamic RAM (DRAM). Statiskt RAM kan hålla data utan att ständigt behöva uppdateras, till skillnad från DRAM, vilket gör SRAM idealiskt för cacheminne.
Hur fungerar CPU-cache?
Program och appar på din dator är utformade som en uppsättning instruktioner som CPU:n tolkar och kör. När du kör ett program tar instruktionerna sig från den primära lagringen (din hårddisk) till processorn. Det är här minneshierarkin kommer in i bilden.
Data laddas först in i RAM-minnet och skickas sedan till CPU:n. CPU:er är idag kapabla att utföra ett gigantiskt antal instruktioner per sekund. För att utnyttja sin kraft fullt ut behöver CPU:n tillgång till supersnabbt minne, vilket är där CPU-cachen kommer in.
Minneskontrollern tar data från RAM-minnet och skickar den till CPU-cachen. Beroende på din CPU, finns styrenheten på CPU:n eller Northbridge-kretsuppsättningen som finns på ditt moderkort.
Minnescachen utför sedan data fram och tillbaka i CPU:n. Minneshierarki finns också i CPU-cachen.
Nivåerna för CPU-cacheminne: L1, L2 och L3
CPU-cacheminnet är uppdelat i tre “nivåer”: L1, L2 och L3. Minneshierarkin är återigen beroende på hastigheten och därmed storleken på cachen.
Så, gör CPU-cachestorleken någon skillnad för prestanda?
L1-cache
L1 (Level 1) cache är det snabbaste minnet som finns i ett datorsystem. När det gäller åtkomstprioritet har L1-cachen de data som processorn mest sannolikt behöver när den slutför en viss uppgift.
Storleken på L1-cachen beror på CPU:n. Vissa avancerade konsumentprocessorer har nu en 1MB L1-cache, som Intel i9-9980XE, men dessa kostar en enorm summa pengar och är fortfarande få och långt emellan. Vissa serverchipset, som Intels Xeon-sortiment, har också en 1-2MB L1-minnescache.
Det finns ingen “standard” L1-cachestorlek, så du måste kontrollera CPU-specifikationerna för att bestämma den exakta L1-minnescachestorleken innan du köper.
L1-cachen är vanligtvis uppdelad i två sektioner: instruktionscachen och datacachen. Instruktionscachen behandlar informationen om operationen som CPU:n måste utföra, medan datacachen innehåller de data som operationen ska utföras på.
L2-cache
L2 (Nivå 2)-cache är långsammare än L1-cachen men större i storlek. Där en L1-cache kan mäta i kilobyte, mäter moderna L2-minnescacher i megabyte. Till exempel har AMD:s högt rankade Ryzen 5 5600X en 384KB L1-cache och en 3MB L2-cache (plus en 32MB L3-cache).
L2-cachestorleken varierar beroende på CPU, men storleken är vanligtvis mellan 256KB och 8MB. De flesta moderna processorer kommer att packa mer än en 256KB L2-cache, och denna storlek anses nu vara liten. Dessutom har några av de mest kraftfulla moderna processorerna en större L2-minnescache som överstiger 8MB.
När det kommer till hastighet ligger L2-cachen efter L1-cachen men är fortfarande mycket snabbare än ditt system-RAM. L1-minnescachen är vanligtvis 100 gånger snabbare än ditt RAM-minne, medan L2-cachen är cirka 25 gånger snabbare.
L3-cache
Till L3-cachen (nivå 3). Under de första dagarna hittades faktiskt L3-minnescachen på moderkortet. Detta var väldigt länge sedan, då de flesta processorer bara var enkärniga processorer. Nu kan L3-cachen i din CPU vara enorm, med avancerade konsumentprocessorer med L3-cacher på upp till 32 MB. Vissa server CPU L3-cacher kan överskrida detta, med upp till 64MB.
L3-cachen är den största men också den långsammaste cacheminnesenheten. Moderna processorer inkluderar L3-cachen på själva processorn. Men medan L1- och L2-cachen finns för varje kärna på själva chippet, är L3-cachen mer lik en allmän minnespool som hela chippet kan använda.
Följande bild visar CPU-minnescachenivåerna för en Intel Core i5-3570K CPU:
Notera hur L1-cachen är uppdelad i två, medan L2 respektive L3 är större.
Hur mycket CPU-cacheminne behöver jag?
Det är en bra fråga. Mer är bättre, som du kan förvänta dig. De senaste CPU:erna kommer naturligtvis att innehålla mer CPU-cacheminne än äldre generationer, med potentiellt snabbare cacheminne också. En sak du kan göra är att lära dig hur du jämför CPU:er effektivt. Det finns mycket information där ute, och att lära sig hur man jämför och kontrasterar olika processorer kan hjälpa dig att fatta rätt inköpsbeslut.
Hur flyttas data mellan CPU-minnescacher?
Den stora frågan: hur fungerar CPU-cacheminne?
I dess mest grundläggande termer flödar data från RAM-minnet till L3-cachen, sedan L2 och slutligen L1. När processorn letar efter data för att utföra en operation försöker den först hitta den i L1-cachen. Om processorn hittar det kallas tillståndet en cacheträff. Den fortsätter sedan för att hitta den i L2 och sedan L3.
Om CPU:n inte hittar data i någon av minnescacharna försöker den komma åt dem från ditt systemminne (RAM). När det händer är det känt som en cachemiss.
Nu, som vi vet, är cachen utformad för att snabba upp informationen fram och tillbaka mellan huvudminnet och CPU:n. Den tid som behövs för att komma åt data från minnet kallas “latens”.
L1-cacheminne har lägst latens, det är snabbast och närmast kärnan, och L3 har högst. Minnescache-latensen ökar när det finns en cachemiss eftersom CPU:n måste hämta data från systemminnet.
Latensen fortsätter att minska i takt med att datorer blir snabbare och effektivare. Låg latens DDR4 RAM och supersnabba SSD:er minskar latensen, vilket gör hela ditt system snabbare än någonsin. I det är hastigheten på ditt systemminne också viktig.
Framtiden för CPU-cacheminne
Cacheminnesdesign utvecklas hela tiden, särskilt eftersom minnet blir billigare, snabbare och tätare. Till exempel är en av AMD:s senaste innovationer Smart Access Memory och Infinity Cache, som båda ökar datorns prestanda.
Om författaren
Gavin Phillips (1017 publicerade artiklar)
Gavin är Junior Editor for Technology Explained, en regelbunden bidragsgivare till Really Useful Podcast och en frekvent produktrecensent. Han har en examen i samtida skrivande som plundrats från Devons kullar och mer än ett decennium av professionell skrivarerfarenhet. Han tycker om stora mängder te, brädspel och fotboll.
Mer från Gavin Phillips
Prenumerera på vårt nyhetsbrev
Gå med i vårt nyhetsbrev för tekniska tips, recensioner, free e-böcker och exklusiva erbjudanden!
Klicka här för att prenumerera
