حافظه کش CPU چیست و چگونه کار می کند؟

وقتی صحبت از پردازنده‌ها می‌شود، فقط ترانزیستورها و فرکانس‌ها نیستند، بلکه حافظه پنهان CPU نیز مهم است. ممکن است زمانی که در مورد CPU ها (واحدهای پردازش مرکزی) صحبت می شود، درباره حافظه کش CPU شنیده باشید. بنابراین، حافظه پنهان CPU دقیقاً چقدر مهم است و چگونه کار می کند؟

حافظه کش CPU چیست؟

به زبان ساده، حافظه پنهان CPU یک نوع حافظه بسیار سریع است. در ایتدا محاسبات، سرعت پردازنده و سرعت حافظه پایین بود. با این حال، در طول دهه 1980، سرعت پردازنده شروع به افزایش سریع کرد. حافظه سیستم در آن زمان (RAM) نمی توانست با افزایش سرعت CPU مقابله کند یا مطابقت داشته باشد، بنابراین نوع جدیدی از حافظه فوق سریع متولد شد: حافظه پنهان CPU یا حافظه کش CPU.

اکنون، رایانه شما دارای چندین نوع حافظه در داخل آن است.

حافظه اصلی، مانند هارد دیسک یا SSD، بخش عمده ای از داده ها را ذخیره می کند – سیستم عامل و برنامه ها.

در مرحله بعد، “حافظه دسترسی تصادفی” را داریم که معمولاً به عنوان RAM شناخته می شود. این بسیار سریعتر از ذخیره سازی اولیه است اما فقط یک رسانه ذخیره سازی کوتاه مدت است. رایانه شما و برنامه‌های آن از RAM برای ذخیره داده‌هایی استفاده می‌کنند که اغلب به آنها دسترسی پیدا می‌کنید، و به شما کمک می‌کند تا عملکردهای رایانه‌تان را خوب و سریع نگه دارید.

در نهایت، CPU دارای واحدهای حافظه سریع تری است که به نام حافظه پنهان CPU یا حافظه کش CPU شناخته می شود.

حافظه کامپیوتر بر اساس سرعت عملیاتی آن سلسله مراتبی دارد. حافظه پنهان CPU در بالای این سلسله مراتب قرار دارد و سریعترین است. همچنین نزدیکترین مکان به جایی است که پردازش مرکزی رخ می دهد، زیرا بخشی از خود CPU است. بر طبق مطالعات انجام شده، “حافظه کش بین 10 تا 100 برابر سریعتر از RAM عمل می کند و برای پاسخ به درخواست CPU تنها به چند نانوثانیه نیاز دارد.”

حافظه کامپیوتر نیز انواع مختلفی دارد.

حافظه کش شکلی از رم استاتیک (SRAM) است، در حالی که رم معمولی سیستم شما به عنوان رم دینامیک (DRAM) شناخته می شود. رم استاتیک می تواند داده ها را بدون نیاز به رفرش مداوم نگهداری کند، برخلاف DRAM که SRAM را برای حافظه کش ایده آل می کند.

حافظه کش CPU چگونه کار می کند؟

برنامه های موجود در رایانه شما به عنوان مجموعه ای از دستورالعمل ها طراحی شده اند که CPU تفسیر و اجرا می کند. هنگامی که یک برنامه را اجرا می کنید، دستورالعمل ها از حافظه اصلی (هارد دیسک شما) به CPU راه پیدا می کنند. اینجاست که سلسله مراتب حافظه وارد عمل می شود.

داده ها ابتدا در RAM بارگذاری می شوند و سپس به CPU ارسال می شوند. CPU ها قادر به انجام تعداد زیادی دستور در ثانیه هستند. برای استفاده کامل از توان خود، CPU نیاز به دسترسی به حافظه فوق سریع دارد، جایی که حافظه پنهان CPU یا حافظه کش CPU وارد می شود.

کنترلر حافظه داده ها را از رم گرفته و به کش CPU می فرستد. بسته به CPU شما، کنترلر روی CPU یا چیپست Northbridge روی مادربرد شما یافت می شود.

کش حافظه سپس داده ها را در CPU انجام می دهد. سلسله مراتب حافظه در حافظه کش CPU نیز وجود دارد.

سطوح اصلی حافظه کش CPU

حافظه کش CPU به سه “سطح” تقسیم می شود: L1، L2 و L3. سلسله مراتب حافظه مجدداً بر اساس سرعت و در نتیجه اندازه حافظه پنهان است.

بیشتر بخوانید: آموزش فعالسازی IPv6 در مودم

حافظه پنهان L1

حافظه پنهان L1 (سطح 1) سریعترین حافظه موجود در یک سیستم کامپیوتری است. از نظر اولویت دسترسی، حافظه پنهان L1 دارای داده هایی است که CPU به احتمال زیاد در حین انجام یک کار خاص به آن نیاز دارد.

اندازه حافظه پنهان L1 به CPU بستگی دارد. برخی از CPU های مصرف کننده سطح بالا در حال حاضر دارای حافظه پنهان L1 یک مگابایتی هستند، مانند Intel i9-9980XE، اما هزینه زیادی دارند و هنوز هم کم هستند. برخی از چیپست‌های سرور، مانند رنج Xeon اینتل، دارای حافظه پنهان 1 تا 2 مگابایتی L1 هستند.

هیچ اندازه “استاندارد” حافظه پنهان L1 وجود ندارد، بنابراین قبل از خرید باید مشخصات CPU را برای تعیین اندازه کش حافظه L1 بررسی کنید.

کش L1 معمولاً به دو بخش تقسیم می شود: کش دستورالعمل و کش داده. حافظه پنهان دستورالعمل با اطلاعات مربوط به عملیاتی که CPU باید انجام دهد سروکار دارد، در حالی که کش داده ها داده هایی را که قرار است عملیات بر روی آن انجام شود را نگه می دارد.

حافظه پنهان L2

حافظه پنهان L2 (سطح 2) کندتر از حافظه پنهان L1 است اما اندازه آن بزرگتر است. جایی که حافظه کش L1 ممکن است بر حسب کیلوبایت اندازه گیری شود، حافظه کش های مدرن L2 بر حسب مگابایت اندازه گیری می شوند. برای مثال، Ryzen 5 5600X AMD دارای 384 کیلوبایت کش L1 و 3 مگابایت کش L2 (به علاوه 32 مگابایت کش L3) است.

اندازه کش L2 بسته به CPU متفاوت است، اما اندازه آن معمولاً بین 256 کیلوبایت تا 32 مگابایت است. اکثر CPUهای مدرن بیش از 256 کیلوبایت حافظه نهان L2 دارند و این اندازه اکنون کوچک در نظر گرفته می شود. علاوه بر این، برخی از قدرتمندترین CPUهای مدرن دارای حافظه پنهان L2 بزرگتر هستند که به میزان قابل توجهی بیش از 8 مگابایت است. مثلا، وقتی صحبت از سرعت به میان می‌آید، حافظه پنهان L2 از حافظه پنهان L1 عقب است، اما همچنان بسیار سریع‌تر از حافظه رم سیستم شما است. حافظه پنهان L1 معمولاً 100 برابر سریعتر از RAM شما است، در حالی که حافظه پنهان L2 حدود 25 برابر سریعتر است.

حافظه پنهان L3

روی حافظه پنهان L3 (سطح 3). در ابتدا، حافظه پنهان L3 در واقع روی مادربرد پیدا شد. این مربوط به مدت‌ها قبل بود، زمانی که بیشتر CPUها فقط پردازنده‌های تک هسته‌ای بودند. اکنون، حافظه پنهان L3 در CPU شما می‌تواند بسیار زیاد باشد، با CPUهای مصرف‌کننده رده بالای دارای حافظه نپهان L3 تا 32 مگابایت، در حالی که پردازنده‌های انقلابی Ryzen 7 5800X3D AMD با 96 مگابایت کش L3 عرضه می‌شوند. برخی از حافظه های نپهان CPU L3 سرور می توانند از این مقدار فراتر بروند و تا 128 مگابایت دارند.

حافظه پنهان L3 بزرگترین و در عین حال کندترین واحد حافظه کش است. CPU های مدرن شامل حافظه پنهان L3 در خود CPU هستند. اما در حالی که حافظه پنهان L1 و L2 برای هر هسته روی خود تراشه وجود دارد، حافظه پنهان L3 بیشتر شبیه یک مخزن حافظه عمومی است که کل تراشه می تواند از آن استفاده کند.

چه مقدار حافظه کش CPU نیاز داریم؟

همانطور که انتظار می رود ان که بیشتر باشد بهتر است. جدیدترین CPU ها طبیعتاً دارای حافظه کش CPU بیشتری نسبت به نسل های قدیمی تر هستند و همچنین حافظه کش بالقوه سریع تری نیز دارند. یکی از کارهایی که می توانید انجام دهید این است که یاد بگیرید چگونه CPU ها را به طور موثر مقایسه کنید.حافظه کش تأثیر زیادی بر عملکرد پردازنده دارد. اندازه و سرعت حافظه کش می‌تواند تفاوت‌های قابل توجهی در عملکرد سیستم ایجاد کند. برای مثال، پردازنده‌هایی با حافظه کش بزرگ‌تر و سریع‌تر معمولاً عملکرد بهتری در اجرای برنامه‌های سنگین و بازی‌های ویدئویی دارند.

از سوی دیگر، بهینه‌سازی حافظه کش نیز می‌تواند تأثیر زیادی بر عملکرد داشته باشد. تکنیک‌هایی مانند پیش‌بینی دستورالعمل‌ها و استفاده از الگوریتم‌های هوشمند برای مدیریت حافظه کش، می‌تواند به بهبود عملکرد و کارایی پردازنده کمک کند.

طراحی حافظه کش همیشه در حال تکامل است، به خصوص که حافظه ارزان‌تر، سریع‌تر و متراکم‌تر می‌شود. به عنوان مثال، یکی از جدیدترین نوآوری های AMD، حافظه دسترسی هوشمند و حافظه پنهان بی نهایت است که هر دو باعث افزایش عملکرد می شوند.

نتیجه ‌گیری:

در نهایت، حافظه کش CPU یکی از اجزای حیاتی در پردازنده‌ های مدرن است. که نقش مهمی در بهبود عملکرد سیستم‌ های کامپیوتری ایفا می‌کند. با کاهش زمان دسترسی به داده‌ها و دستور العمل‌ها، حافظه کش به افزایش سرعت پردازش، کاهش تأخیر و بهبود کارایی سیستم کمک می‌کند. همچنین، با بهینه‌ سازی مصرف انرژی، حافظه کش CPU می‌تواند به افزایش عمر باتری در دستگاه‌های قابل حمل کمک کند. بنابراین، حافظه کش و نقش آن در پردازنده‌ ها برای بهینه‌ سازی عملکرد سیستم‌ های کامپیوتری بسیار مهم است.