Memoria caché, ¿qué pasa? ¿Cómo funciona? ¿Qué hay de L1, L2 y L3?

En los últimos años, el desarrollo de procesadores informáticos se ha acelerado sin precedentes. Cada año, las empresas comienzan a fabricar procesadores con tecnologías más precisas que alcanzan los 7 nm. En cuanto a los procesadores, no sólo la velocidad del procesador y la precisión de fabricación son los criterios que determinan la resistencia del procesador, sino que también hay una memoria caché.

Para obtener más información acerca de los procesadores y sus especificaciones, puede revisar nuestros artículos anteriores:

Es posible que haya oído hablar de la memoria caché cuando haya explorado las especificaciones de cualquier procesador de computadora. Normalmente, no prestamos mucha atención a la memoria caché, ni representan las especificaciones más destacadas en la publicidad corporativa para los procesadores que está ofreciendo. Pero, ¿qué importancia tiene la memoria caché de la CPU y cómo funciona?

¿Qué es la caché del procesador?

En pocas palabras, la memoria caché es sólo un tipo muy rápido de memoria de almacenamiento. Hay varios tipos de almacenamiento en el equipo. Hay dispositivos de almacenamiento básicos y permanentes como discos HDD o SSD, que almacenan la mayor parte de los datos, como el sistema operativo y todos los programas dentro.

Además, quiere RAM, conocido como RAM, que es mucho más rápido que los discos de almacenamiento básicos y almacena datos dentro de ella temporalmente en lugar de permanentemente.

Por último, la CPU tiene unidades de memoria más rápidas y rápidas llamadas caches.

Puede revisar nuestros artículos sobre discos de almacenamiento RAM y cachés:

Cuando tratamos de categorizar los tipos de memorias en el ordenador en función de sus velocidades, encontraremos la memoria de almacenamiento en la parte superior de la lista, que es la más rápida de ellas y forma parte de la CPU donde se producen los distintos procesos y cálculos.

Una memoria caché es RAM estática, pero en comparación con el RAM síncrono dinámico (SDRAM) del equipo, es mucho más rápido y puede mantener los datos sin tener que actualizarlo constantemente, por lo que es ideal para su uso como caché de CPU.

¿Cómo funciona la memoria caché?

Ya sabes, diferentes programas informáticos están diseñados como un conjunto de código, y este código es ejecutado por la CPU. Al ejecutar un programa, estos aprendizajes de software deben abrirse paso desde el volumen básico del disco de almacenamiento hasta el procesador. Pero, ¿cómo funciona este proceso?

El código se carga y envía inicialmente desde el disco de almacenamiento a la RAM y, a continuación, se envía a la CPU para ejecutarlo.  En estos días, los procesadores pueden ejecutar un gran número de código por segundo. Pero para aprovechar al máximo su potencia, la CPU necesita acceder a la memoria de alta velocidad. RAM no es demasiado rápido para mantenerse al día con el procesador en su suministro de código. De ahí la necesidad de una memoria más rápida y aquí viene el papel de la memoria caché.

El controlador de memoria toma datos del ram y los envía a la memoria caché. Dependiendo de la CPU de su computadora, esta consola puede estar en el chipset North Bridge en la placa base o dentro de la propia CPU.

A continuación, la memoria caché ejecuta el código secuencialmente dentro de la CPU y muy rápidamente puede mantenerse al día con el procesador y proporcionar el código secuencialmente para ejecutarlo. a través de una jerarquía precisa.

Niveles de caché: L1, L2 y L3

La memoria caché de la CPU se divide en tres niveles principales: L1, L2 y L3. Están dispuestos de acuerdo a mayor velocidad y menor capacidad. Cuanto más rápida sea la memoria, más estará a expensas de su capacidad.

La memoria caché L1 (Nivel 1) es la memoria más rápida dentro del equipo. Para el acceso prioritario, la memoria caché L1 contiene los datos que la CPU necesita mientras completa una tarea específica.

La memoria caché L1 suele tener una capacidad de hasta 256 KB. Sin embargo, algunas CPU potentes tienen una capacidad de aproximadamente 1 MB. Algunos chips de procesador de servidor (como la CPU Intel Xeon) contienen 1-2 MB de caché L1.

La caché L1 se divide generalmente en dos partes, la primera es la caché de ayuda y la segunda es la caché de datos. La memoria caché de ayuda trata de información sobre el proceso que debe realizar la CPU, mientras que la memoria caché de datos contiene los datos en los que se realizará la operación.

La memoria caché L2 (Nivel 2) es más lenta que la memoria caché L1, pero tiene mayor capacidad. Su capacidad suele oscilar entre 256 KB y 8 MB, pero las CPU nuevas y potentes tienen más capacidad. La memoria caché L2 contiene datos a los que es probable que la CPU tenga acceso para el código siguiente en la ejecución. En la mayoría de las CPU modernas, los cachés L1 y L2 se encuentran en el interior de la CPU sí mismo.

La caché L3 (Nivel 3) es la caché más grande y es más lenta. Su capacidad puede variar de 4 MB a 50 MB.

¿Qué significa Cache Hit o Cache Miss? ¿Qué significa Latencia?

Los datos fluyen de la RAM a la memoria caché L3, después L2 y finalmente L1. Cuando el procesador busca datos para realizar una operación, primero intenta encontrarlos en la memoria caché. Si la CPU es capaz de encontrarlo, digamos en este caso que la memoria caché ha golpeado el destino Cache Hit. Si la unidad de procesamiento no encuentra los datos en la fundición de caché, intentará acceder a él desde la memoria principal. En este caso decimos que perdimos el objetivo Cache Miss.

La memoria caché está diseñada para acelerar el proceso de transferencia de información entre la memoria principal y la CPU. Por supuesto, L1 tiene el menor tiempo de transferencia siendo el más rápido y más cercano al procesador, y la memoria L3 tiene el más alto. El tiempo de llegada o transferencia aumenta mucho cuando hay una pérdida de objetivo. Esto se debe a que la CPU tendrá que obtener datos de la memoria principal.

A medida que las computadoras se vuelven más rápidas y sofisticadas, estamos viendo una disminución en la latencia en los dispositivos modernos. Ahora tenemos RAM de baja generación (DDR4) y tenemos SSD de alta velocidad con tiempos de acceso bajos como almacén principal, los cuales reducen significativamente la latencia total.

En el pasado, los diseños de caché ponía la memoria caché L2 y L3 fuera de la CPU, lo que tuvo un impacto negativo en la latencia. Como resultado, la memoria caché se puede colocar más cerca de la CPU sin preocuparse por el factor de espacio y esto reduce significativamente la latencia.

El futuro de los repetidores de almacenamiento en caché

El proceso de diseño de caché continúa evolucionando y con el tiempo se vuelve más barato, más rápido y más compacto. Intel y AMD han proporcionado una gran cantidad de procesadores con enormes desarrollos en el almacenamiento de acciones, y la más prominente de las dos empresas son las pruebas de caché L4 de Intel.

Hay mucho trabajo en esta área. La tarea de reducir el tiempo de transición de memoria puede seguir siendo la mayor parte del proceso de desarrollo. Las empresas los están desarrollando constantemente y el futuro parece muy prometedor.