Архитектура любого современного процессора подразумевает наличие особой разновидности памяти – кэша. Это очень быстрая память, расположенная в непосредственной близости от ядер чипа. Используется она повсеместно, то есть присутствует в любых процессорах, как самых дешевых, так и топовых. От объема, скорости и других характеристик кэш-памяти во многом зависит производительность чипа. В этой статье мы подробно разберемся со строением кэша, особенностями его работы и принципах выбора процессоров в зависимости от характеристик кэша.
Какую функцию выполняет кэш памяти процессора
Главная (и практически единственная) функция кэша – ускорение передачи данных из очень медленной в сравнении с кэшем оперативной памяти к логическим блокам процессорных ядер. Ведь современные процессоры работают на высоких частотах и способны обрабатывать огромные объемы данных. Но оперативная память даже стандарта DDR5 не способна обеспечить достаточно быструю передачу информации в процессор.
Без скоростного кэша часть тактов процессора расходовались бы впустую, не выполняя полезных вычислений. Наличие быстрой кэш-памяти позволяет значительно уменьшить эту проблему и обеспечить равномерное поступление данных для обработки в ядрах и их выгрузку обратно в ОЗУ.
Устройство кэш памяти процессора
В современных процессорах кэш создается из ячеек памяти разновидности SRAM. Ее архитектура похожа на ячейки оперативной памяти DRAM, но ячейки SRAM не нуждаются в регенерации, так как построены на основе транзисторов, а не конденсаторов. То есть тех же элементов, из которых строятся логические блоки чипа. Они способны работать в широком диапазоне частот и легко синхронизируются с тактами логических блоков.
Также имеется ряд других отличий, например, низкая плотность записи (для записи одного бита требуется 6-8 элементов, в то время как в ОЗУ – всего два). Основное достоинство SRAM – огромная скорость передачи данных (в десятки раз превышает DRAM), а также сверхнизкие задержки доступа и простая схемотехника.
Помимо собственно кэш-памяти важным составляющим (хотя и не относящимся напрямую к ее структуре) является контроллер. В «старых» процессорах использовался внешний контроллер памяти, который размещался на материнской плате, но сейчас во всех процессорах он интегрирован напрямую в чип.
Контроллер необходим для управления обменом данными между кэшем и ядрами процессора. Именно к нему поступает запрос от ядра на обработку определенных данных, после чего контроллер осуществляет поиск информации в кэше. Если информация находится в кэш-памяти, контроллер отдает команду на ее передачу для обработки, если нет – отдается команда на поиск информации в оперативной памяти и ее копирование в кэш. Первая ситуация называется «кэш-попадание», вторая – «кэш-промах».
Помимо выполнения этих действий, одна из важнейших задач контроллера – минимизация количества промахов, то есть предзагрузка нужной ядрам информации в кэши всех уровней заранее. Таким образом нужные данные всегда находятся в «быстром» доступе для их обработки. Чтобы эта функция работала правильно и эффективно, контроллер должен уметь «предсказывать» какие данные потребуются ядрам в ближайшее время, вовремя их загружать и выгружать те, которые перестали быть нужны. На самом деле это очень сложная задача, поэтому контроллер памяти является одним из самых сложных блоков в процессоре. В современных чипах используются даже элементы искусственного интеллекта, которые позволяют контроллеру анализировать собственные действия и увеличивать эффективность работы изменяя алгоритмы «предсказания».
Самые эффективные контроллеры, используются в чипах Intel, что в сочетании с высокой скоростью работы кэш-памяти всех уровней позволяет обеспечить загрузку всех ядер процессора даже при относительно небольшом объеме кэша. Контроллеры в процессорах AMD менее эффективны, инженеры компании компенсируют этот недостаток значительным увеличением объема кэша, особенно памяти третьего уровня.
Иерархия кэш-памяти
Впервые кэш был использован в архитектуре процессоров Intel 80386, но память размещалась не внутри чипа, а в виде отдельных микросхем на материнской плате. Непосредственно в кристалл память была интегрирована с выходом поколения 80486, а в процессорах серии Pentium произошло разделение кэша на два блока – для команд и инструкций. В дальнейшем происходило наращивание объема кэша, а также разделение памяти на несколько уровней.
Сейчас в процессорах используется трехуровневая иерархия кэш-памяти, которая позволяет эффективно обрабатывать большие потоки данных. В будущих поколениях процессоров скорее всего будет внедрен и четвертый уровень кэша. Он будет отличаться гигантским объемом (несколько гигабайт), а также сниженной скоростью работы. Но когда произойдет его внедрение точно не известно, поэтому нет и подробностей о структуре памяти четвертого уровня.
L1 — кэш 1 уровня
L1 – это кэш первого уровня, самый скоростной, работающий с минимальными задержками, но и объем его невелик. Это связано с тем, что блок памяти размещается непосредственно рядом с каждым ядром процессора и непосредственно связано именно с ним.
Объем кэша первого уровня в типичных десктопных процессорах составляет 32-256 кБ. Причем сам L1 также разделяется на два блока – кэш команд и данных. Кэш команд служит для хранения информации об операциях, которые непосредственно выполняет процессор, условно говоря, указывает процессорному ядру «что делать». Блок данных используется для хранения информации, которую обрабатывает ядро процессора.
L2 — кэш 2 уровня
Это память второго уровня, которая тоже привязана к каждому ядру и взаимодействует непосредственно с ним (а также с соответствующим ядру блоком кэша первого уровня). При этом обладает существенно большим объемом (512-2 Мб), но и работает существенно медленнее в сравнении с L1.
Память L2 служит для хранения информации, которая не уместилась в кэш первого уровня, но может скоро потребоваться для обработки, а также для выгрузки уже обработанной ядром информации. В зависимости от архитектуры процессора и структуры памяти кэш L2 может быть независимым или инклюзивным. В последнем случае в нем будет содержаться точная копия информации из L1.
L3 — кэш 3 уровня
Память третьего уровня – низкоскоростная и самая объемная из входящих в структуру кэша. В отличие от предыдущих двух уровней L3 не привязана к ядру и служит для обмена данными между ядрами, а также хранения информации, которая важна для эффективной работы всего чипа, но обращение к ней происходит относительно редко.
Хотя скорость работы памяти L3 существенно ниже, чем L2 и, тем более L1, она все еще во много раз быстрее, чем у ОЗУ. При этом ее объем может быть очень велик, например, Intel Core i9 14900K получил 36 Мб кэша третьего уровня. А процессоры AMD Ryzen могут оснащаться сотнями мегабайт L3-кэша, например, у чипа Ryzen 9 7950X3D целых 128 Мб.
Нужно отметить, что в отличие от процессоров Intel, в чипах AMD используется особая структура кэша третьего уровня связанная с особенностями чиплетной архитектуры Ryzen. В актуальной линейке каждый восьмиядерный чиплет содержит 32 Мб кэш-памяти третьего уровня. Если чиплетов несколько, кэш третьего уровня все равно работает как единый массив. Но при этом перемещение данных из кэша одного чиплета в кэш другого происходит с дополнительной задержкой. Одночиплетные процессоры AMD этой проблемы лишены, в многочиплетных она решается за счет увеличения общего объема кэша, а также программными методами.
Как объем кэш-памяти влияет на производительность
Объем кэша напрямую влияет на вычислительную мощность процессора, ведь чем больше данных может быть записано в кэш – тем выше будет скорость обработки информации, ведь процессору не потребуется обращаться к существенно более медленной «оперативке» и «простаивать» в ожидании поступления нужных данных.
Поэтому в большинстве случаев можно говорить о том, что чем больше объем кэша – тем выше будет производительность процессора, особенно при «тяжелых» вычислительных нагрузках, таких как рендеринг 3D сцен или видеороликов. Игры, особенно современные, со сложной, реалистичной графикой также чувствительны к объему кэш-памяти и хорошо отзываются на его увеличение.
Но нужно учитывать, что помимо объема кэша скорость обработки данных влияют и другие его параметры. Ведь несмотря на принципиально схожую архитектуру процессоров Intel и AMD, схемы работы с кэшем существенно различаются. Поэтому между топовым процессором Intel с 36 Мб кэша и аналогом от AMD с 96-128 Мб разница производительности будет несущественна и зачастую в пользу Intel, особенно в играх.
Это связано с тем, что скорость работы кэша в процессорах Intel существенно выше, также в них используются контроллеры с продвинутой системой самообучения, то есть в кэш практически всегда предзагружаются данные, которые нужны процессору. А огромные объемы кэша в процессорах AMD позволяют компенсировать недостаток производительности контроллера памяти и более низкую скорость работы кэша всех уровней.
Оба подхода в целом равноценны и позволяют достичь схожих результатов в вычислительной мощности. Но нужно помнить, что больший объем кэша не всегда означает большую производительность процессора.
Рекомендации по выбору кэша
При выборе процессора объему кэша стоит уделять внимание, но не основное. Сейчас производители хорошо балансируют архитектуру и объемы кэша с общей производительностью процессора, поэтому в первую очередь нужно учитывать частоту, количество ядер, а также общее позиционирование процессора. Чем выше будет находиться чип в линейке, тем больше в нем будет ядер, выше частота и, соответственно, вырастет и объем кэш-памяти.
Но сказанное выше справедливо, при выборе процессоров от Intel. Если вы собираетесь приобрести процессор от AMD, то нужно учитывать ряд нюансов, связанных именно с кэш-памятью. В линейке процессоров AMD есть несколько чипов, с маркировкой X3D, которые отличаются увеличенным объемом кэша. Это достигается за счет монтажа дополнительной микросхемы, содержащей ячейки SRAM непосредственно поверх интегрированного в процессор кэша L3. Таким образом компании удалось значительно нарастить его объем, например, Ryzen 9 7950X содержит суммарно 64 Мб кэша третьего уровня, а в Ryzen 9 7950X3D он вдвое больше – 128 Мб.
При этом процессоры AMD с дополнительным кэшем работают на более низких частотах, что обусловлено сложностями с отведением тепла при многослойной компоновке микросхем. Процессоры с дополнительным кэшем несмотря на более низкие частоты демонстрируют заметный прирост производительности в архивировании, рендеринге и ряде игр, движок которых чувствителен к объему кэш-памяти. Но при этом могут уступать даже своим «собратьям», не получившим дополнительного кэша в задачах, которые требуют максимальной тактовой частоты ядер.
