CPU Cache hoạt động như thế nào? Bộ nhớ đệm L1, L2 và L3 là gì?

Chính xác thì bộ nhớ đệm CPU là gì? Tại sao có bộ nhớ đệm L1, L2 và L3? Đây là những gì bạn cần biết và cách chúng hoạt động.

Bộ vi xử lý máy tính đã tiến bộ khá nhiều trong những năm gần đây. Các bóng bán dẫn ngày càng nhỏ hơn mỗi năm và những tiến bộ đang đạt đến điểm mà định luật Moore đang trở nên thừa.

Khi nói đến bộ vi xử lý, không chỉ đến các bóng bán dẫn và tần số mà còn là bộ nhớ đệm.

Bạn có thể đã nghe nói về bộ nhớ đệm khi CPU (Đơn vị xử lý trung tâm) đang được thảo luận. Tuy nhiên, chúng tôi không chú ý đầy đủ đến các số bộ nhớ cache của CPU này. Và chúng cũng không phải là điểm nổi bật chính của các quảng cáo CPU.

Vì vậy, chính xác thì bộ nhớ đệm CPU quan trọng như thế nào và nó hoạt động như thế nào?

Xem thêm: Cài win quận 7

Bộ nhớ đệm CPU là gì?

Nói một cách đơn giản, bộ nhớ đệm CPU chỉ là một loại bộ nhớ thực sự nhanh. Trong những ngày đầu của máy tính, tốc độ bộ xử lý và tốc độ bộ nhớ thấp. Tuy nhiên, trong những năm 1980, tốc độ bộ xử lý bắt đầu tăng lên – nhanh chóng. Bộ nhớ hệ thống vào thời điểm đó (RAM) không thể đối phó hoặc phù hợp với tốc độ CPU ngày càng tăng, và do đó, một loại bộ nhớ cực nhanh mới đã ra đời: bộ nhớ đệm CPU.

Bây giờ, máy tính của bạn có nhiều loại bộ nhớ bên trong nó.

Có bộ lưu trữ chính, như ổ cứng hoặc SSD, lưu trữ phần lớn dữ liệu — hệ điều hành và các chương trình.

Tiếp theo, chúng ta có bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên. Thường được gọi là RAM . Điều này nhanh hơn nhiều so với bộ nhớ chính nhưng chỉ là phương tiện lưu trữ ngắn hạn. Máy tính của bạn và các chương trình trên đó sử dụng RAM để lưu trữ dữ liệu được truy cập thường xuyên. Giúp cho các thao tác trên máy tính của bạn diễn ra tốt đẹp và nhanh chóng.

Cuối cùng, CPU còn có các đơn vị bộ nhớ nhanh hơn bên trong chính nó, được gọi là bộ nhớ đệm CPU.

Bộ nhớ máy tính có hệ thống phân cấp dựa trên tốc độ hoạt động của nó. Bộ nhớ đệm CPU đứng đầu trong hệ thống phân cấp này, là bộ nhớ đệm nhanh nhất. Nó cũng là nơi gần nhất với nơi xử lý trung tâm xảy ra, là một phần của chính CPU.

Bộ nhớ máy tính cũng có nhiều loại khác nhau.

Bộ nhớ đệm là một dạng RAM tĩnh (SRAM), trong khi RAM hệ thống thông thường của bạn được gọi là RAM động (DRAM). RAM tĩnh có thể chứa dữ liệu mà không cần phải làm mới liên tục.

Không giống như DRAM, điều này làm cho SRAM trở nên lý tưởng cho bộ nhớ đệm.

CPU Cache hoạt động như thế nào?

Các chương trình và ứng dụng trên máy tính của bạn được thiết kế dưới dạng một tập hợp các hướng dẫn mà CPU diễn giải và chạy. Khi bạn chạy một chương trình, các hướng dẫn sẽ đi từ bộ nhớ chính (ổ cứng của bạn) đến CPU. Đây là lúc hệ thống phân cấp bộ nhớ phát huy tác dụng.

  1. Đầu tiên, dữ liệu được tải vào RAM và sau đó được gửi đến CPU. Các CPU ngày nay có khả năng thực hiện một số lượng lớn các lệnh mỗi giây. Để tận dụng hết sức mạnh của nó, CPU cần truy cập vào bộ nhớ siêu nhanh, đó là nơi bộ nhớ đệm CPU đi vào.
  2. Bộ điều khiển bộ nhớ lấy dữ liệu từ RAM và gửi đến bộ nhớ cache của CPU. Tùy thuộc vào CPU của bạn, bộ điều khiển được tìm thấy trên CPU hoặc chipset Cầu Bắc được tìm thấy trên bo mạch chủ của bạn.
  3. Bộ nhớ đệm sau đó thực hiện việc chuyển đổi dữ liệu qua lại bên trong CPU. Hệ thống phân cấp bộ nhớ cũng tồn tại trong bộ nhớ cache của CPU.

Các mức bộ nhớ Cache CPU: L1, L2 và L3

Bộ nhớ Cache CPU được chia thành ba “cấp độ”: L1, L2 và L3. Hệ thống phân cấp bộ nhớ lại theo tốc độ và do đó, kích thước của bộ nhớ cache.

Vì vậy, kích thước bộ nhớ cache của CPU có tạo ra sự khác biệt cho hiệu suất không?

Bộ nhớ đệm L1

Bộ nhớ đệm L1 (Mức 1) là bộ nhớ nhanh nhất hiện có trong hệ thống máy tính. Về mức độ ưu tiên của quyền truy cập, bộ nhớ đệm L1 có dữ liệu mà CPU có nhiều khả năng cần trong khi hoàn thành một tác vụ nhất định.

Kích thước của bộ nhớ đệm L1 phụ thuộc vào CPU. Một số CPU tiêu dùng hàng đầu hiện nay có bộ nhớ đệm L1 1MB, như Intel i9-9980XE, nhưng chúng tiêu tốn rất nhiều tiền và vẫn còn rất ít. Một số chipset máy chủ, như dòng Xeon của Intel, cũng có bộ nhớ đệm L1 1-2MB.

Không có kích thước bộ nhớ đệm L1 “tiêu chuẩn”. Vì vậy bạn phải kiểm tra thông số kỹ thuật của CPU để xác định kích thước bộ nhớ đệm L1 chính xác trước khi mua.

Bộ nhớ đệm L1 thường được chia thành hai phần: bộ nhớ đệm lệnh và bộ nhớ đệm dữ liệu. Bộ đệm chỉ dẫn xử lý thông tin về hoạt động mà CPU phải thực hiện. Trong khi bộ đệm dữ liệu giữ dữ liệu mà hoạt động sẽ được thực hiện.

Bộ nhớ đệm L2

Bộ đệm L2 (Mức 2) chậm hơn bộ đệm L1 nhưng kích thước lớn hơn. Trong đó bộ nhớ đệm L1 có thể đo bằng kilobyte, bộ nhớ đệm L2 hiện đại đo bằng megabyte. Ví dụ, Ryzen 5 5600X được đánh giá cao của AMD có bộ nhớ đệm L1 384KB và bộ nhớ đệm 3MB L2 (cộng với bộ nhớ đệm 32MB L3).

Kích thước bộ nhớ đệm L2 thay đổi tùy thuộc vào CPU. Nhưng kích thước của nó thường từ 256KB đến 8MB. Hầu hết các CPU hiện đại sẽ đóng gói nhiều hơn bộ nhớ đệm L2 256KB và kích thước này hiện được coi là nhỏ. Hơn nữa, một số CPU hiện đại mạnh mẽ nhất có bộ nhớ đệm L2 lớn hơn, vượt quá 8MB.

Khi nói đến tốc độ, bộ nhớ cache L2 thua bộ nhớ cache L1 nhưng vẫn nhanh hơn nhiều so với RAM hệ thống của bạn. Bộ nhớ đệm L1 thường nhanh hơn 100 lần so với RAM của bạn. Trong khi bộ nhớ đệm L2 nhanh hơn khoảng 25 lần.

Bộ nhớ đệm L3

Vào bộ đệm L3 (Mức 3). Trong những ngày đầu tiên, bộ nhớ đệm L3 thực sự được tìm thấy trên bo mạch chủ. Điều này đã xảy ra rất lâu trước đây, khi hầu hết các CPU chỉ là bộ vi xử lý lõi đơn.

Giờ đây, bộ nhớ đệm L3 trong CPU của bạn có thể rất lớn. Với các CPU tiêu dùng hàng đầu có bộ nhớ đệm L3 lên đến 32MB. Một số bộ nhớ đệm CPU L3 của máy chủ có thể vượt quá mức này, có dung lượng lên đến 64MB.

Bộ nhớ đệm L3 là bộ nhớ đệm lớn nhất nhưng cũng là bộ nhớ đệm chậm nhất. Các CPU hiện đại bao gồm bộ nhớ đệm L3 trên chính CPU. Nhưng trong khi bộ đệm L1 và L2 tồn tại cho mỗi lõi trên chính con chip. Bộ đệm L3 giống với một nhóm bộ nhớ chung mà toàn bộ chip có thể sử dụng.

Hình ảnh sau đây cho thấy các mức bộ nhớ đệm của bộ nhớ CPU cho CPU Intel Core i5-3570K:

Lưu ý cách bộ nhớ đệm L1 được chia thành hai, trong khi L2 và L3 tương ứng lớn hơn.

Tôi cần bao nhiêu bộ nhớ Cache CPU?

Đó là một câu hỏi hay. Càng nhiều càng tốt, như bạn có thể mong đợi. Các CPU mới nhất đương nhiên sẽ bao gồm nhiều bộ nhớ đệm CPU hơn các thế hệ cũ. Với bộ nhớ đệm có khả năng nhanh hơn. Một điều bạn có thể làm là học cách so sánh các CPU một cách hiệu quả. Có rất nhiều thông tin trên mạng và việc học cách so sánh và đối chiếu các CPU khác nhau có thể giúp bạn đưa ra quyết định mua hàng đúng đắn.

Dữ liệu di chuyển giữa các bộ nhớ đệm CPU như thế nào?

Câu hỏi lớn: bộ nhớ cache CPU hoạt động như thế nào?

Theo thuật ngữ cơ bản nhất của nó, dữ liệu chạy từ RAM đến bộ nhớ đệm L3, sau đó là L2 và cuối cùng là L1. Khi bộ xử lý đang tìm kiếm dữ liệu để thực hiện một hoạt động. Trước tiên nó sẽ cố gắng tìm dữ liệu đó trong bộ đệm L1. Nếu CPU tìm thấy nó, điều kiện được gọi là truy cập bộ nhớ cache. Sau đó, nó tiến hành tìm nó trong L2 và sau đó là L3.

Nếu CPU không tìm thấy dữ liệu trong bất kỳ bộ nhớ đệm nào. Nó sẽ cố gắng truy cập dữ liệu đó từ bộ nhớ hệ thống (RAM) của bạn. Khi điều đó xảy ra, nó được gọi là lỗi bộ nhớ đệm.

Như chúng ta đã biết, bộ nhớ đệm được thiết kế để tăng tốc độ qua lại của thông tin giữa bộ nhớ chính và CPU. Thời gian cần thiết để truy cập dữ liệu từ bộ nhớ được gọi là “độ trễ”.

Bộ nhớ đệm L1 có độ trễ thấp nhất, nhanh nhất và gần với lõi nhất. Và L3 có độ trễ cao nhất. Độ trễ của bộ nhớ đệm tăng lên khi có lỗi bộ nhớ đệm do CPU phải truy xuất dữ liệu từ bộ nhớ hệ thống.

Độ trễ tiếp tục giảm khi máy tính trở nên nhanh hơn và hiệu quả hơn. RAM DDR4 có độ trễ thấp và SSD siêu nhanh giúp giảm độ trễ. Giúp toàn bộ hệ thống của bạn nhanh hơn bao giờ hết. Trong đó, tốc độ của bộ nhớ hệ thống của bạn cũng rất quan trọng.

Tương lai của bộ nhớ Cache CPU

Thiết kế bộ nhớ đệm luôn phát triển. Đặc biệt là khi bộ nhớ ngày càng rẻ hơn, nhanh hơn và dày đặc hơn

Ví dụ, một trong những cải tiến gần đây nhất của AMD là Bộ nhớ truy cập thông minh và Bộ nhớ đệm vô cực. Cả hai đều giúp tăng hiệu suất máy tính.

Cảm ơn bạn đã xem bài viết: CPU Cache hoạt động như thế nào? Bộ nhớ đệm L1, L2 và L3 là gì?

Add Comment

Website này sử dụng Akismet để hạn chế spam. Tìm hiểu bình luận của bạn được duyệt như thế nào.