แคช CPU ทำงานอย่างไร แคช L1, L2 และ L3 คืออะไร

แคช CPU ทำงานอย่างไร แคช L1, L2 และ L3 คืออะไร

โปรเซสเซอร์คอมพิวเตอร์มีความก้าวหน้าไม่น้อยในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ทรานซิสเตอร์มีขนาดเล็กลงทุกปี และความก้าวหน้ากำลังมาถึงจุดที่กฎของมัวร์กลายเป็นสิ่งที่ซ้ำซาก





เมื่อพูดถึงโปรเซสเซอร์ ไม่ใช่แค่ทรานซิสเตอร์และความถี่ที่นับเท่านั้น แต่ยังรวมถึงแคชด้วย





คุณอาจเคยได้ยินเกี่ยวกับหน่วยความจำแคชเมื่อมีการพูดถึง CPU (หน่วยประมวลผลกลาง) อย่างไรก็ตาม เราไม่ได้ให้ความสนใจเพียงพอกับหมายเลขหน่วยความจำแคชของ CPU เหล่านี้ และไม่ใช่ไฮไลท์หลักของโฆษณา CPU





ดังนั้นแคชของ CPU มีความสำคัญเพียงใดและทำงานอย่างไร

หน่วยความจำแคช CPU คืออะไร?

พูดง่ายๆ ก็คือ แคชหน่วยความจำของ CPU เป็นเพียงหน่วยความจำประเภทที่รวดเร็วจริงๆ ในช่วงแรกๆ ของการประมวลผล ความเร็วของโปรเซสเซอร์และความเร็วของหน่วยความจำต่ำ อย่างไรก็ตาม ในช่วงปี 1980 ความเร็วโปรเซสเซอร์เริ่มเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว หน่วยความจำระบบ ณ เวลานั้น (RAM) ไม่สามารถรับมือหรือจับคู่ความเร็วของ CPU ที่เพิ่มขึ้นได้ ดังนั้นหน่วยความจำแบบเร็วพิเศษรูปแบบใหม่จึงถือกำเนิดขึ้น นั่นคือหน่วยความจำแคชของ CPU



ตอนนี้ คอมพิวเตอร์ของคุณมีหน่วยความจำหลายประเภทอยู่ภายใน

มีที่เก็บข้อมูลหลัก เช่น ฮาร์ดดิสก์หรือ SSD ซึ่งเก็บข้อมูลจำนวนมาก—ระบบปฏิบัติการและโปรแกรม





ต่อไป เรามี Random Access Memory ที่เรียกกันทั่วไปว่า RAM . ซึ่งเร็วกว่าที่จัดเก็บข้อมูลหลักมาก แต่เป็นเพียงสื่อจัดเก็บข้อมูลระยะสั้นเท่านั้น คอมพิวเตอร์ของคุณและโปรแกรมต่างๆ ที่ใช้ RAM เพื่อจัดเก็บข้อมูลที่เข้าถึงบ่อย ช่วยให้การทำงานบนคอมพิวเตอร์ของคุณเป็นไปอย่างราบรื่นและรวดเร็ว

สุดท้าย CPU มีหน่วยหน่วยความจำที่เร็วกว่าในตัวมันเอง ซึ่งเรียกว่าแคชหน่วยความจำของ CPU





หน่วยความจำคอมพิวเตอร์มีลำดับชั้นตามความเร็วในการทำงาน แคช CPU อยู่ที่ด้านบนสุดของลำดับชั้นนี้ เร็วที่สุด นอกจากนี้ยังใกล้กับจุดที่เกิดการประมวลผลกลางมากที่สุด โดยเป็นส่วนหนึ่งของ CPU เอง

หน่วยความจำคอมพิวเตอร์ก็มีหลายประเภทเช่นกัน

หน่วยความจำแคชเป็นรูปแบบหนึ่งของ Static RAM (SRAM) ในขณะที่ RAM ระบบปกติของคุณเรียกว่า Dynamic RAM (DRAM) Static RAM สามารถเก็บข้อมูลได้โดยไม่ต้องรีเฟรชตลอดเวลา ซึ่งต่างจาก DRAM ซึ่งทำให้ SRAM เหมาะสำหรับหน่วยความจำแคช

แคช CPU ทำงานอย่างไร

โปรแกรมและแอพในคอมพิวเตอร์ของคุณได้รับการออกแบบมาเป็นชุดคำสั่งที่ CPU ตีความและทำงาน เมื่อคุณเรียกใช้โปรแกรม คำแนะนำจะมาจากที่เก็บข้อมูลหลัก (ฮาร์ดไดรฟ์ของคุณ) ไปยัง CPU นี่คือที่มาของลำดับชั้นของหน่วยความจำ

ข้อมูลจะถูกโหลดขึ้นใน RAM ก่อนแล้วจึงถูกส่งไปยัง CPU ซีพียูในปัจจุบันสามารถดำเนินการคำสั่งจำนวนมหาศาลต่อวินาที เพื่อให้ใช้พลังงานอย่างเต็มที่ CPU จำเป็นต้องเข้าถึงหน่วยความจำที่เร็วมาก ซึ่งเป็นที่ที่แคชของ CPU เข้ามา

ตัวควบคุมหน่วยความจำใช้ข้อมูลจาก RAM และส่งไปยังแคชของ CPU ขึ้นอยู่กับ CPU ของคุณ ตัวควบคุมจะอยู่บน CPU หรือชิปเซ็ต Northbridge ที่พบในเมนบอร์ดของคุณ

แคชหน่วยความจำจะทำการส่งข้อมูลไปมาภายใน CPU ลำดับชั้นของหน่วยความจำอยู่ภายในแคชของ CPU เช่นกัน

ที่เกี่ยวข้อง: CPU คืออะไรและทำหน้าที่อะไร?

ระดับของหน่วยความจำแคช CPU: L1, L2 และ L3

หน่วยความจำแคชของ CPU แบ่งออกเป็น 'ระดับ' สามระดับ: L1, L2 และ L3 ลำดับชั้นของหน่วยความจำจะเป็นไปตามความเร็วอีกครั้ง และด้วยเหตุนี้ ขนาดของแคช

ขนาดแคชของ CPU สร้างความแตกต่างให้กับประสิทธิภาพหรือไม่?

L1 Cache

แคช L1 (ระดับ 1) เป็นหน่วยความจำที่เร็วที่สุดที่มีอยู่ในระบบคอมพิวเตอร์ ในแง่ของลำดับความสำคัญของการเข้าถึง แคช L1 มีข้อมูลที่ CPU ต้องการมากที่สุดในขณะที่ทำงานบางอย่างให้เสร็จสิ้น

ขนาดของแคช L1 ขึ้นอยู่กับ CPU ซีพียูสำหรับผู้บริโภคระดับบนบางรุ่นในขณะนี้มีแคช L1 ขนาด 1MB เช่น Intel i9-9980XE แต่สิ่งเหล่านี้ใช้เงินเป็นจำนวนมากและยังเหลืออยู่ไม่มาก ชิปเซ็ตเซิร์ฟเวอร์บางตัว เช่น ช่วง Xeon ของ Intel มีแคชหน่วยความจำ L1 1-2MB ด้วย

ไม่มีขนาดแคช L1 'มาตรฐาน' ดังนั้นคุณต้องตรวจสอบข้อกำหนดของ CPU เพื่อกำหนดขนาดแคชหน่วยความจำ L1 ที่แน่นอนก่อนซื้อ

แคช L1 มักจะแบ่งออกเป็นสองส่วน: แคชคำสั่งและแคชข้อมูล แคชคำสั่งเกี่ยวข้องกับข้อมูลเกี่ยวกับการดำเนินการที่ CPU ต้องดำเนินการ ในขณะที่แคชข้อมูลเก็บข้อมูลที่จะดำเนินการ

L2 Cache

แคช L2 (ระดับ 2) ช้ากว่าแคช L1 แต่มีขนาดใหญ่กว่า ในกรณีที่แคช L1 อาจวัดเป็นกิโลไบต์ แคชหน่วยความจำ L2 สมัยใหม่จะวัดเป็นเมกะไบต์ ตัวอย่างเช่น Ryzen 5 5600X ที่ได้รับคะแนนสูงของ AMD มีแคช L1 384KB และแคช L2 3MB (พร้อมแคช L3 32MB)

ขนาดแคช L2 แตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับ CPU แต่โดยทั่วไปขนาดจะอยู่ระหว่าง 256KB ถึง 8MB ซีพียูที่ทันสมัยส่วนใหญ่จะบรรจุแคช L2 มากกว่า 256KB และขนาดนี้ถือว่าเล็กแล้ว นอกจากนี้ ซีพียูสมัยใหม่ที่ทรงพลังที่สุดบางตัวยังมีแคชหน่วยความจำ L2 ที่ใหญ่กว่า ซึ่งเกิน 8MB

เชื่อมต่อหูฟังไร้สายกับ xbox one ได้ไหม

เมื่อพูดถึงความเร็ว แคช L2 จะล้าหลังแคช L1 แต่ก็ยังเร็วกว่า RAM ระบบของคุณมาก โดยทั่วไปแคชหน่วยความจำ L1 จะเร็วกว่า RAM ของคุณ 100 เท่า ในขณะที่แคช L2 เร็วกว่าประมาณ 25 เท่า

L3 Cache

ไปยังแคช L3 (ระดับ 3) ในช่วงแรกพบแคชหน่วยความจำ L3 บนเมนบอร์ด เป็นเวลานานมากแล้ว ย้อนกลับไปเมื่อ CPU ส่วนใหญ่เป็นเพียงโปรเซสเซอร์แบบ single-core ตอนนี้ แคช L3 ใน CPU ของคุณอาจมีขนาดใหญ่ ด้วยซีพียูระดับบนสำหรับผู้บริโภคที่มีแคช L3 สูงสุด 32MB แคช CPU L3 ของเซิร์ฟเวอร์บางตัวสามารถเกินนี้ได้ โดยมีขนาดสูงสุด 64MB

แคช L3 เป็นหน่วยความจำแคชที่ใหญ่ที่สุด แต่ยังช้าที่สุดอีกด้วย ซีพียูสมัยใหม่รวมถึงแคช L3 บนซีพียูด้วย แต่ในขณะที่แคช L1 และ L2 มีอยู่สำหรับแต่ละคอร์บนชิปเอง แคช L3 นั้นคล้ายกับพูลหน่วยความจำทั่วไปที่ชิปทั้งหมดสามารถใช้ได้

รูปภาพต่อไปนี้แสดงระดับแคชหน่วยความจำ CPU สำหรับ Intel Core i5-3570K CPU:

โปรดทราบว่าแคช L1 แบ่งออกเป็นสองส่วนอย่างไร ในขณะที่ L2 และ L3 มีขนาดใหญ่กว่าตามลำดับ

ฉันต้องการหน่วยความจำแคช CPU เท่าใด

เป็นคำถามที่ดี มากกว่านั้นดีกว่าอย่างที่คุณคาดหวัง ซีพียูล่าสุดจะมีหน่วยความจำแคชของ CPU มากกว่ารุ่นเก่าอย่างเป็นธรรมชาติด้วยหน่วยความจำแคชที่อาจเร็วกว่าด้วย สิ่งหนึ่งที่คุณทำได้คือเรียนรู้ วิธีเปรียบเทียบซีพียูอย่างมีประสิทธิภาพ . มีข้อมูลมากมายอยู่ที่นั่น และการเรียนรู้วิธีเปรียบเทียบและเปรียบเทียบ CPU ต่างๆ จะช่วยให้คุณตัดสินใจซื้อได้อย่างถูกต้อง

ข้อมูลย้ายระหว่างแคชหน่วยความจำของ CPU อย่างไร

คำถามใหญ่: หน่วยความจำแคชของ CPU ทำงานอย่างไร

ในแง่พื้นฐานที่สุด ข้อมูลจะไหลจาก RAM ไปยังแคช L3 จากนั้นไปที่ L2 และสุดท้ายคือ L1 เมื่อโปรเซสเซอร์กำลังมองหาข้อมูลเพื่อดำเนินการ อันดับแรกจะพยายามค้นหาในแคช L1 หาก CPU พบเงื่อนไขจะเรียกว่าการชนของแคช จากนั้นจึงดำเนินการค้นหาใน L2 และ L3

หาก CPU ไม่พบข้อมูลในแคชหน่วยความจำใดๆ CPU จะพยายามเข้าถึงจากหน่วยความจำระบบ (RAM) ของคุณ เมื่อสิ่งนั้นเกิดขึ้นจะเรียกว่าแคชพลาด

อย่างที่เราทราบกันดีอยู่แล้วว่าแคชได้รับการออกแบบมาเพื่อเร่งความเร็วข้อมูลไปมาระหว่างหน่วยความจำหลักและ CPU เวลาที่ต้องใช้ในการเข้าถึงข้อมูลจากหน่วยความจำเรียกว่า 'latency'

หน่วยความจำแคช L1 มีเวลาแฝงต่ำสุด เร็วที่สุดและใกล้กับคอร์มากที่สุด และ L3 มีค่าสูงสุด เวลาแฝงของแคชหน่วยความจำจะเพิ่มขึ้นเมื่อมีแคชพลาด เนื่องจาก CPU ต้องดึงข้อมูลจากหน่วยความจำระบบ

เวลาแฝงยังคงลดลงเมื่อคอมพิวเตอร์ทำงานเร็วขึ้นและมีประสิทธิภาพมากขึ้น DDR4 RAM ที่มีความหน่วงต่ำและ SSD ที่เร็วมากช่วยลดเวลาแฝง ทำให้ทั้งระบบของคุณเร็วขึ้นกว่าที่เคย ความเร็วของหน่วยความจำระบบของคุณก็มีความสำคัญเช่นกัน

อนาคตของหน่วยความจำแคช CPU

การออกแบบหน่วยความจำแคชมีการพัฒนาอยู่เสมอ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อหน่วยความจำราคาถูกลง เร็วขึ้น และหนาแน่นขึ้น ตัวอย่างเช่น หนึ่งในนวัตกรรมล่าสุดของ AMD คือ Smart Access Memory และ Infinity Cache ซึ่งทั้งสองอย่างนี้ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพคอมพิวเตอร์

แบ่งปัน แบ่งปัน ทวีต อีเมล เอเอ็มดีเทียบกับ Intel: CPU สำหรับเล่นเกมที่ดีที่สุดคืออะไร?

หากคุณกำลังสร้างพีซีสำหรับเล่นเกมและขาดระหว่างซีพียู AMD และ Intel ก็ถึงเวลาเรียนรู้ว่าโปรเซสเซอร์ตัวใดดีที่สุดสำหรับอุปกรณ์เกมของคุณ

อ่านต่อไป
หัวข้อที่เกี่ยวข้อง
  • เทคโนโลยีอธิบาย
  • หน่วยความจำคอมพิวเตอร์
  • ซีพียู
  • อะไหล่คอมพิวเตอร์
เกี่ยวกับผู้เขียน Gavin Phillips(เผยแพร่บทความ 945 ฉบับ)

Gavin เป็นบรรณาธิการรุ่นเยาว์สำหรับ Windows และอธิบายเทคโนโลยี เป็นผู้มีส่วนร่วมประจำใน Podcast ที่มีประโยชน์จริงๆ และเป็นผู้ตรวจสอบผลิตภัณฑ์ประจำ เขามีศิลปศาสตรบัณฑิต (เกียรตินิยม) การเขียนร่วมสมัยพร้อมแนวทางปฏิบัติด้านศิลปะดิจิทัลที่ถูกปล้นจากเนินเขาของ Devon รวมถึงประสบการณ์การเขียนระดับมืออาชีพกว่าทศวรรษ เขาชอบดื่มชา บอร์ดเกม และฟุตบอลเป็นจำนวนมาก

เพิ่มเติมจาก Gavin Phillips

สมัครรับจดหมายข่าวของเรา

เข้าร่วมจดหมายข่าวของเราสำหรับเคล็ดลับทางเทคนิค บทวิจารณ์ eBook ฟรี และดีลพิเศษ!

คลิกที่นี่เพื่อสมัครสมาชิก