Como funciona o cache da CPU e quais são os caches L1, L2 e L3?

Os processadores de computador avançaram bastante nos últimos anos. Os transistores ficam menores a cada ano e os avanços estão atingindo um ponto em que a Lei de Moore está se tornando redundante.

Quando se trata de processadores, não são apenas os transistores e frequências que contam, mas também o cache.

Você pode ter ouvido falar sobre memória cache quando as CPUs (Unidades Centrais de Processamento) estão sendo discutidas. No entanto, não prestamos atenção suficiente a esses números de memória cache da CPU, nem são o destaque principal dos anúncios da CPU.

Então, exatamente quão importante é o cache da CPU e como ele funciona?

O que é memória cache da CPU?

Simplificando, um cache de memória da CPU é apenas um tipo de memória muito rápido. Nos primórdios da computação, a velocidade do processador e a velocidade da memória eram baixas. No entanto, durante a década de 1980, as velocidades do processador começaram a aumentar rapidamente. A memória do sistema na época (RAM) não conseguia lidar ou igualar as velocidades crescentes da CPU, então um novo tipo de memória ultrarrápida nasceu: a memória cache da CPU.

Agora, seu computador possui vários tipos de memória dentro dele.

O armazenamento primário, como um disco rígido ou SSD, armazena a maior parte dos dados – o sistema operacional e os programas.

Em seguida, temos a “memória de acesso aleatório”, comumente conhecida como RAM. Isso é muito mais rápido do que o armazenamento primário, mas é apenas um meio de armazenamento de curto prazo. Seu computador e seus programas usam RAM para armazenar dados acessados ​​com frequência, ajudando a manter as ações em seu computador agradáveis ​​e rápidas.

Por fim, a CPU possui unidades de memória ainda mais rápidas dentro de si, conhecidas como cache de memória da CPU.

A memória do computador tem uma hierarquia baseada em sua velocidade operacional. O cache da CPU está no topo dessa hierarquia, sendo o mais rápido. É também o mais próximo de onde ocorre o processamento central, fazendo parte da própria CPU. De acordo com a Tech Target , “a memória cache opera de 10 a 100 vezes mais rápido que a RAM, exigindo apenas alguns nanossegundos para responder a uma solicitação da CPU”.

A memória do computador também vem em tipos diferentes.

A memória cache é uma forma de RAM estática (SRAM), enquanto a RAM normal do sistema é conhecida como RAM dinâmica (DRAM). A RAM estática pode armazenar dados sem precisar ser constantemente atualizada, ao contrário da DRAM, que torna a SRAM ideal para memória cache.

Como funciona o cache da CPU?

Programas e aplicativos em seu computador são projetados como um conjunto de instruções que a CPU interpreta e executa. Quando você executa um programa, as instruções passam do armazenamento principal (seu disco rígido) para a CPU. É aqui que a hierarquia da memória entra em ação.

Os dados primeiro são carregados na RAM e depois enviados para a CPU. As CPUs são capazes de executar um número gigantesco de instruções por segundo. Para fazer uso total de seu poder, a CPU precisa de acesso à memória super rápida, que é onde entra o cache da CPU.

O controlador de memória pega os dados da RAM e os envia para o cache da CPU. Dependendo da sua CPU, o controlador é encontrado na CPU ou no chipset Northbridge da sua placa-mãe.

O cache de memória então realiza a troca de dados dentro da CPU. A hierarquia de memória também existe dentro do cache da CPU.

Os níveis de memória cache da CPU: L1, L2 e L3

A memória cache da CPU é dividida em três “níveis”: L1, L2 e L3. A hierarquia de memória é novamente de acordo com a velocidade e, portanto, o tamanho do cache.

Então, o tamanho do cache da CPU faz diferença no desempenho?

Cache L1

O cache L1 (nível 1) é a memória mais rápida presente em um sistema de computador. Em termos de prioridade de acesso, o cache L1 contém os dados que a CPU provavelmente precisará ao concluir uma determinada tarefa.

O tamanho do cache L1 depende da CPU. Algumas CPUs de consumo de ponta agora apresentam um cache L1 de 1 MB, como o Intel i9-9980XE, mas custam muito dinheiro e ainda são poucos e distantes entre si. Alguns chipsets de servidor, como a linha Xeon da Intel, também apresentam um cache de memória L1 de 1 a 2 MB.

Não há tamanho de cache L1 “padrão”, então você deve verificar as especificações da CPU para determinar o tamanho exato do cache de memória L1 antes de comprar.

O cache L1 geralmente é dividido em duas seções: o cache de instruções e o cache de dados. O cache de instruções lida com as informações sobre a operação que a CPU deve realizar, enquanto o cache de dados contém os dados sobre os quais a operação deve ser executada.

Cache L2

O cache L2 (nível 2) é mais lento que o cache L1, mas maior em tamanho. Onde um cache L1 pode medir em kilobytes, os caches de memória L2 modernos medem em megabytes. Por exemplo, o altamente classificado Ryzen 5 5600X da AMD tem um cache L1 de 384 KB e um cache L2 de 3 MB (mais um cache L3 de 32 MB).

O tamanho do cache L2 varia dependendo da CPU, mas seu tamanho geralmente varia entre 256 KB e 32 MB. A maioria das CPUs modernas possui mais de um cache L2 de 256 KB, e esse tamanho agora é considerado pequeno. Além disso, algumas das CPUs modernas mais poderosas têm um cache de memória L2 maior, excedendo amplamente os 8 MB. Por exemplo,

Quando se trata de velocidade, o cache L2 fica atrás do cache L1, mas ainda é muito mais rápido que a RAM do sistema. O cache de memória L1 é normalmente 100 vezes mais rápido que sua RAM, enquanto o cache L2 é cerca de 25 vezes mais rápido.

Cache L3

No cache L3 (Nível 3). Nos primeiros dias, o cache de memória L3 foi realmente encontrado na placa-mãe. Isso foi há muito tempo, quando a maioria das CPUs eram apenas processadores de núcleo único. Agora, o cache L3 em sua CPU pode ser enorme, com CPUs de consumo de ponta com caches L3 de até 32 MB, enquanto as revolucionárias CPUs Ryzen 7 5800X3D da AMD vêm com cache L3 de 96 MB. Alguns caches L3 da CPU do servidor podem exceder isso, apresentando até 128 MB.

O cache L3 é a maior, mas também a unidade de memória cache mais lenta. As CPUs modernas incluem o cache L3 na própria CPU. Mas enquanto os caches L1 e L2 existem para cada núcleo no próprio chip, o cache L3 é mais parecido com um pool de memória geral que todo o chip pode usar.

As imagens a seguir mostram os níveis de cache de memória da CPU para uma CPU Intel Core i5-3570K lançada em 2012 e uma CPU AMD Ryzen 5800X, lançada oito anos depois, em 2020. Os dados de cache da CPU estão no canto inferior direito da segunda imagem.

Observe como o cache L1 é dividido em dois, enquanto o L2 e o L3 são maiores, respectivamente, em ambas as CPUs? No entanto, no AMD Ryzen 5800X, o cache L3 é mais de cinco vezes maior que o Intel i5-3570K.

Quanta memória de cache da CPU eu preciso?

É uma boa pergunta. Mais é melhor, como você pode esperar. As CPUs mais recentes incluirão naturalmente mais memória cache da CPU do que as gerações anteriores, com memória cache potencialmente mais rápida também. Uma coisa que você pode fazer é aprender como comparar CPUs de forma eficaz. Há muita informação por aí, e aprender a comparar e contrastar diferentes CPUs pode ajudá-lo a tomar a decisão de compra certa.

O design da memória cache está sempre evoluindo, especialmente à medida que a memória fica mais barata, mais rápida e mais densa. Por exemplo, uma das inovações mais recentes da AMD é o Smart Access Memory e o Infinity Cache, que aumentam o desempenho.

Como os dados se movem entre os caches de memória da CPU?

A grande questão: como funciona a memória cache da CPU?

Em seus termos mais básicos, os dados fluem da RAM para o cache L3, depois para o L2 e, finalmente, para o L1. Quando o processador está procurando dados para realizar uma operação, ele primeiro tenta encontrá-los no cache L1. Se a CPU o encontrar, a condição é chamada de cache hit. Em seguida, prossegue para encontrá-lo em L2 e depois em L3.

Se a CPU não encontrar os dados em nenhum dos caches de memória, ela tentará acessá-los da memória do sistema (RAM). Quando isso acontece, é conhecido como falta de cache.

Agora, como sabemos, o cache é projetado para acelerar a troca de informações entre a memória principal e a CPU. O tempo necessário para acessar os dados da memória é chamado de “latência”.

A memória cache L1 tem a menor latência, sendo a mais rápida e mais próxima do núcleo, e a L3 a mais alta. A latência do cache de memória aumenta quando há uma falta de cache, pois a CPU precisa recuperar os dados da memória do sistema.

A latência continua a diminuir à medida que os computadores se tornam mais rápidos e eficientes. RAM DDR4 e DDR5 de baixa latência e SSDs super-rápidos reduzem a latência, tornando todo o seu sistema mais rápido do que nunca. Nisso, a velocidade da memória do sistema também é importante.

Velocidade de cache da CPU explicada

O tamanho e a velocidade do cache da CPU são importantes para a operação geral do seu computador. Como na maioria dos problemas relacionados ao hardware do computador, mais é melhor e mais rápido é sempre a escolha inteligente.

No entanto, você não deve deixar o cache da CPU se tornar a última opção de decisão quando se trata de comprar uma nova CPU. Claro, mais e mais rápido é melhor, mas você também precisa considerar outros fatores importantes de desempenho da CPU, como o número de núcleos, a velocidade do clock da CPU e assim por diante.