Każdy procesor ma przynajmniej trochę zintegrowanej pamięci podręcznej. Chipy z niższej półki mogą mieć tylko kilka kilobajtów, podczas gdy procesory z wyższej półki mogą pomieścić wiele megabajtów pamięci podręcznej. Na przykład mocny procesor Intel Core i9-14900K wydany w zeszłym roku ma aż 36 MB całkowitej pamięci podręcznej. Chipsy mobilne też to mają – Qualcomm Snapdragon 8 Gen 3 ma 12 MB pamięci podręcznej L3.

Snapdragon 8 Gen 3 ma o 50% więcej pamięci podręcznej L3 niż jego poprzednik. (Zdjęcie: Qualcomm)

Gdzie więc znaleźć pamięć podręczną? Znajduje się pomiędzy procesorem a pamięcią główną, zwykle na samym chipie procesora lub na płycie głównej w pobliżu procesora. Dedykowana magistrala danych łączy go z procesorem.

Dlaczego potrzebujemy pamięci podręcznej, gdy mamy pamięć RAM?

Być może myślisz: „Ale ja mam 32 GB pamięci RAM na mojej wrednej maszynie. Po co mi ta głupia pamięć podręczna?” Rzeczywiście kryje się za tym ciekawa historia. Projektanci procesorów zawsze skupiali się na zwiększaniu szybkości procesorów, podczas gdy twórcy pamięci RAM mieli inny priorytet – zapewnienie większej pojemności.

Stworzyło to rosnącą różnicę między wydajnością procesora i pamięci RAM. Dla projektantów procesorów był to ogromny problem, ponieważ szybkość pamięci RAM ma kluczowe znaczenie dla ogólnej wydajności przy wielu obciążeniach. Potrzebowali więc rozwiązania, które pomoże pokonać ten podział.

To właśnie tutaj pojawiła się pamięć podręczna, oferująca zawrotne prędkości, które mogą pomóc w przesyłaniu danych do rdzeni procesora znacznie szybciej niż ciągłe wysyłanie zapytań do powolnej pamięci głównej.

Jak działa pamięć podręczna?

Pamięć komputera opiera się na hierarchii, z rejestrami procesora na górze, ponieważ są najszybsze, następnie pamięcią podręczną, systemową pamięcią RAM, a następnie powolną pamięcią masową (SSD/HDD) na dole. Można z grubsza zgodzić się, że im wyżej wspinasz się w hierarchii, tym mniej bajtów znajdziesz.

Jak się okazuje, pamięć podręczna również ma swoją własną hierarchię – i jest w zasadzie dość podobna. Jest on podzielony na trzy poziomy: pamięć podręczną L1, L2 i L3, każdy różniący się rozmiarem, bliskością rdzeni i szybkością dostępu.

Posiadanie tej hierarchii z pamięcią podręczną najbliżej procesora oznacza, że ​​najbardziej potrzebne dane można odzyskać przy minimalnym opóźnieniu. Przyjrzyjmy się teraz, jak wygląda ta hierarchia.

Pamięć podręczna L1: Pierwszą i najmniejszą warstwą jest pamięć podręczna L1. Na tym poziomie znajdują się rzeczy, do których procesor właśnie uzyskał dostęp lub które według niego będą wkrótce potrzebne, więc nie jest niespodzianką, że znajduje się on najbliżej procesora i może pochwalić się najniższym opóźnieniem. Każdy rdzeń procesora otrzymuje również dla siebie ekskluzywny mały kawałek, zwykle o wielkości zaledwie kilku kilobajtów. Na przykład Intel Core i9-14900K rezerwuje 80 KB pamięci podręcznej L1 dla każdego rdzenia (w sumie ma 24 rdzenie).

Intel Core i9-14900K ma całkowitą pamięć podręczną L2 wynoszącą 32 MB. (Zdjęcie: Intel)

Jeśli rdzeń nie może znaleźć czegoś, czego potrzebuje w swojej pamięci podręcznej L1, musi szukać wyżej w hierarchii.

Pamięć podręczna L2: Pamięć podręczna L2 to kolejny krok naprzód. Często każdy rdzeń nadal ma tu swoją własną dedykowaną pulę, ale niektóre procesory współdzielą części L2 między wieloma rdzeniami. Pamięci podręczne L2 są znacznie większe niż L1. Mają jednak nieco większe opóźnienia, ponieważ dane muszą podróżować nieco dalej od rdzeni.

Pamięć podręczna L3: Ostatni poziom to pamięć podręczna L3, czyli jedna duża współdzielona pula pamięci, do której mają dostęp wszystkie rdzenie. Te pamięci podręczne L3 mogą być stosunkowo masywne, jak ta 36MB w chipie 14900K. Ta warstwa ma najgorsze opóźnienie ze wszystkich trzech, ponieważ jest najdalej. Jednak posiadanie dużego L3 jest bardzo ważne, aby zapobiec konieczności ciągłego proszenia procesora o dane do powolnej systemowej pamięci RAM.

Przepływ danych pomiędzy poziomami pamięci podręcznej

Zatem w praktyce dane przepływają z najwolniejszej pamięci RAM do pamięci podręcznej L3, następnie L2, a na koniec L1 – po drodze zbliżając się do rdzeni procesora.

Kiedy rdzeń musi wykonać instrukcję, najpierw sprawdza pamięć podręczną L1. Jeśli dane tam są, nazywa się to „trafieniem w pamięć podręczną” i rdzeń może szybko pobrać to, czego potrzebuje i zabrać się do pracy. Jeśli wystąpi błąd w pamięci podręcznej i dane nie zostaną znalezione w warstwie L1, będą one szukać w warstwie L2. Nadal nie masz szczęścia? Procesor sprawdza wówczas pamięć podręczną L3.

A jeśli w wyniku jakichś strasznych okoliczności dane nie znajdą się nigdzie na żadnym poziomie pamięci podręcznej, rdzeń musi uciekać się do bolesnego odzyskiwania ich z głównej pamięci RAM systemu – pamięć podręczna scenariuszy ma na celu zapobieganie jak największej ilości danych.

Im szybciej procesor znajdzie potrzebne dane w jednej z tych superszybkich pul pamięci podręcznej, tym lepsza będzie jego wydajność przy wszelkiego rodzaju obciążeniach, takich jak gry, tworzenie treści i nie tylko.

Czy są jakieś wady pamięci podręcznej?

Jak każda inna rzecz, pamięć podręczna ma również swoje wady. Zajmuje dużo miejsca fizycznego na procesorze, jak mało może faktycznie przechowywać. Jest także bardzo drogi – dlatego widzisz go w tak małych pojemnościach. Ale ogólnie rzecz biorąc, jest to godny kompromis, który pomaga utrzymać system w dobrym i szybkim działaniu.