Na przestrzeni ostatnich kilku lat producenci układów scalonych dokonali wielu znaczących zmian w architekturach procesorów, które spotkamy w aktualnych laptopach i komputerach stacjonarnych.

W 2020 roku firma Apple spopularyzowała architekturę ARM wprowadzając autorskie procesory z rodziny Apple Silicon, które na jednej płytce posiadają procesor, procesor neuronowy, układ graficzny, dodatkowe koprocesory np. bezpieczeństwa oraz zunifikowaną pamięć masową działająca w obrębie całego układu.

Na rynku pojawiły się również znacząco zmodyfikowane procesory x86 wykorzystujące większą ilość rdzeni (6 oraz więcej), które często wykorzystują odmienne architektury - rdzenie wysokiej wydajności oraz wysokiej efektywności energetycznej.

Administratorzy i dyrektorzy IT, a także konsumenci indywidualni wybierający nowy sprzęt bardzo często zwracają uwagę na ilość rdzeni, ich taktowanie oraz proces technologiczny, w którym wyprodukowano procesor. Coraz cześciej zapominamy o pamięci podręcznej poziomu 1, 2 oraz 3, która jest kluczowa do zapewnienia odpowiedniej wydajności całego komputera.

W niniejszym materiale wyjaśniamy czym jest pamięć L1, L2 i L3 oraz dlaczego jest kluczowym elementem każdego procesora.

Czym jest pamięć podręczna procesora?

Procesor kojarzy się głównie z rdzeniami, wątkami, gigahercami oraz nanometrami. Należy jednak pamiętać również, że każdy procesor posiada pamięć podręczną pełniącą tymczasowy magazyn danych dla procesora. To właśnie tam przetrzymywane są kolejne instrukcje przygotowane do przetworzenia przez procesor.

Pamięć podręczna procesora służy do zwiększenia wydajności przetwarzania CPU poprzez przechowywanie małych, często wymaganych bitów danych gotowych do uzyskania dostępu z dużą prędkością. Pamięć podręczna składa się z różnych poziomów przechowywania. Poziomy te są powszechnie określane jako L1, L2, L3 i czasami L4, które różnią się lokalizacją, szybkością i rozmiarem.

Aby lepiej zrozumieć, dlaczego procesor potrzebuje własnej pamięci podręcznej, musimy przyjrzeć się rozwojowi procesorów i pamięci RAM. W starych komputerach prędkość przesyłania danych była bardzo wolna. Nie należało się obawiać, że przetwarzanie zostanie spowolnione przez pamięć. Gdy prędkość operacyjna procesorów znacznie wyprzedziła prędkość dostępnych na rynku pamięci RAM, pojawiła się potrzeba zmniejszenia tej różnicy. Odpowiedzią na ten problem okazała się pamięć podręczna procesora.

Pamięć podręczna jest zarówno niezwykle szybka, często od 10 do 100 razy szybsza niż pamięć operacyjna RAM, a na dodatek znajduje się bardzo blisko rdzeni procesora. Nowoczesne procesory nie są spowalniane przez konieczność żądania danych ze stosunkowo wolnej pamięci systemowej, ponieważ zamiast tego mogą pobierać dane z pamięci podręcznej.

Ilość pamięci podręcznej w procesorze jest stosunkowo niewielka, mierzona w kilobajtach lub megabajtach, a nie gigabajtach, ale pozory nie powinny mylić. Ze względu na jej wydajność i położenie jest to pamięć niezwykle droga w produkcji.

Pamięć podręczna L1

Pamięć podręczna L1, czasami nazywana podstawową pamięcią podręczną, jest najmniejszym i najszybszym poziomem pamięci. Zwykle ma rozmiar 64 KB, ale każdy rdzeń procesora ma wbudowaną własną pamięć podręczną L1, więc czterordzeniowy procesor posiada najcześciej łącznie 256 KB takiej pamięci.

Pamięć podręczna tego typu jest podzielona na dwa kolejne poziomy: L1-I (instrukcje) i L1-D (dane). Pamięć podręczna instrukcji L1 obsługuje informacje, które zostaną przesłane do procesora, podczas gdy pamięć podręczna L1-D danych przechowuje informacje, które zostaną zapisane w pamięci głównej.

Pamięć podręczna typu L1 jest najszybszą pamięcią dostępną w całym komputerze. W momencie, gdy zostanie ona przepełniona procesor sięga po pamięć podręczną kolejnych poziomów - L2 oraz L3.

Pamięć podręczna L2

Pamięć podręczna L2 to dodatkowa pamięć podręczna, również osadzona w każdym rdzeniu procesora. Prawie zawsze ma więcej miejsca niż L1, ale działa z mniejszą prędkością, choć nadal znacznie szybciej, niż prędkość pamięci RAM.

Niektóre wysokiej klasy procesory mogą mieć łącznie 32 MB pamięci podręcznej L2. Aktualnie przeciętną średnią jest rozmiar 12-16 MB w przypadku procesów desktopowych oraz 8-12 MB w procesorach laptopowych typu ULV (niskonapięciowych).

Pamięć podręczna L3

Pamięć podręczna L3 działa nieco inaczej - jako współdzielona pula pamięci, do której dostęp ma cały procesor. Jest ona znacznie wolniejsza niż pamięć podręczna L1 i L2, choć nadal szybsza od pamięci RAM. Dodatkowo ma największy rozmiar ze wszystkich pamięci podręcznych, które znajdują się w procesorze.

Kluczowe różnice pomiędzy typami pamięci podręcznej procesora

Głównymi i najważniejszymi różnicami pomiędzy poszczególnymi rodzajami pamięci podręcznej procesora są rozmiar, szybkość oraz lokalizacja.

• Pamięć podręczna L1 ma niską pojemność, ale zazwyczaj jest najszybszą pamięcią w całym komputerze, do 100 razy szybszą niż pamięć RAM. Każdy rdzeń procesora ma własną pamięć podręczną L1, zwykle około 64 KB.
• Pamięć podręczna L2 może być kilka razy większa niż L1, ale jest tylko około 25 razy szybsza niż pamięć RAM. Podobnie jak L1, każdy rdzeń procesora ma własną pamięć podręczną L2. Każda z nich ma zazwyczaj 256-512 KB, a czasami nawet 1 MB.
• Pamięć podręczna L3 ma największą pojemność, często 32 MB lub więcej, ale może być tylko dwa razy szybsza niż pamięć systemowa. Pamięć podręczna L3 jest zwykle wbudowana w procesor, ale oddzielona od rdzeni.

Pamięć podręczna - element niezbędny każdego procesora

Pomimo pozornie niewielkich wymiarów oraz marginalizowania przez producentów, pamięć podręczna jest kluczowym podzespołem procesorów komputerowych. Jest to element niezbędny do poprawnego funkcjonowania całego komputera. Nowoczesne procesory z dużą ilością rdzeni coraz częściej polegają na sporych buforach pamięci podręcznej, aby zapewnić jak najwyższą wydajność całego komputera podczas skomplikowanych obliczeń.