О важности и влиянии кэш-памяти процессора на его производительность

Перед началом основной беседы о важности объема кэш-памяти у процессоров остановлюсь на криптовалюте Raptoreum, которая, собственно, и подтолкнула меня написать этот блог. Кто хочет узнать, что ожидает всех майнеров и геймеров в следующем году, когда появятся видеокарты на рынке, вероятный прогноз развития событий можно найти здесь.  

А теперь о Raptoreum. Важно! Не поддавайтесь на провокации, относительно этой криптовалюты, которая добывается на мощностях кэш-памяти центральных процессоров! Чем больше кэш-память второго и любого последующего уровня (при его наличии), тем быстрее происходят расчёты, результатом которых является условный доход. Так как сейчас на рынке именно у процессоров AMD самый «жирный» кэш, то наличие их на полках магазинов и соответственно рекомендованной стоимости этих процессоров под угрозой со стороны новой криптовалюты. Под удар могут попасть старейшие модели AMD Ryzen и все Threadripper.  

А теперь поговорим о кэш-памяти процессора. При решении задач процессор получает из оперативной памяти необходимые блоки информации, обработав их, он записывает в память результаты вычислений и получает для обработки следующие блоки. Этот процесс продолжается, пока задача не будет на 100% выполнена.

Все эти операции производятся на очень высоких скоростях, от десятков гигабайт в секунду у процессоров 20-ти летней давности, до сотен гигабайт в секунду у современных процессоров. Все это время процессор обменивается данными с оперативной памятью, которая работает в разы медленнее самого процессора. Каждое считывание из нее и обратная запись информации в неё отнимают уйму времени.

Несмотря на такой дисбаланс, процессор не простаивает в ожидании очередной порции данных из оперативной памяти, так как эти данные подгружаются в его кэш-память.

Кэш-память процессора – это небольшая по объему, но супербыстрая оперативная память. Она встроена в процессор и является своеобразным буфером, при обмене CPU данными с медленной оперативной памятью, а в современных реалиях еще и с NVME SSD и видеокартой.

В большинстве процессоров используется многоуровневая система кэша:

• Кэш-память первого уровня или L1 – самая маленькая, но и самая быстрая область кэш-памяти. Её объем не превышает пару десятков килобайт. Работает L1 без каких-либо задержек. В нем содержатся данные, которые чаще всего используются процессором.

• Кэш-память второго уровня (L2) чуть медленнее кэш-памяти L1, но и объем ее в современных процессорах измеряется уже в мегабайтах. Служит она для временного хранения важных данных, вероятность запроса которых ниже, чем у данных, находящихся в L1 кэше. 

• Кэш-память третьего уровня (L3) – еще более объемная и еще более медленная. Но она все равно быстрее любой оперативной памяти, даже новой DDR5. Со скоростями в несколько сотен гигабайт в секунду пока еще приходится считаться. Ее размер в современных процессорах в мейнстрим сегменте достигает нескольких десятков мегабайт, а в серверных AMD Epyc счет пошел уже на сотни мегабайт. В отличие от L1 и L2, кэш третьего уровня является общим для всех ядер процессора.

L3 кэш служит для временного хранения важной информации с относительно низкой вероятностью запроса, а также для обеспечения обменом данными между ядрами процессора.

А теперь небольшой экскурс в развитие и эволюцию кэш-памяти. Если за отправную точку взять Pentium 1, то кэша L2 у него не было. L1 был объёмом 32 Кб. L2 как правило распаивался на материнской плате. Когда появился Pentium II, то L2 сразу стал равным 512 Кб, но он располагался рядом с ядром процессора на отдельной микросхеме и имел низкую скорость, но все равно это лучше, чем ничего. 

Pentium-III с Socket 370 имел уже половину объема от Pentium II – 256 Кб, но зато этот кэш был быстрее, так как он был интегрирован в кристалл процессора. Pentium 4 вначале удвоил этот объём до 512 Кб, так называемый Nothwood, а последовавшее за ним ядро Prescott довел L2 до 1 Мб. Это уже объём дней сегодняшних.

Во времена Pentium 4 случилось еще одно важное событие: у Pentium 4 Extreme Edition впервые появился L3 кэш. До этого момента в десктопах такого явления не было. Объем L3 равнялся «жирным» 2 мегабайтам, что положительно влияло на производительность и цену процессора.

После смены с 478 на 775 контактов без ножек, первые “новые” Pentium с ядрами Prescott-2M и Cedar Mill увеличили L2 до 2-х мегабайт, а L1 так и оставался в пределах 32 Кб.

Микроархитектура Core2 и Core2 Quad значительно увеличили объемы кэшей. Так, объем  L2 кэша уже варьировался от 4 до 12 Мб, но эти цифры нужно поделить на два, из особенности организации кэша, так как группы ядер по факту взаимодействовали только с половиной этого объема, но суммарный объем был именно таким.

Микроархитектура Sandy Bridge поделила процессоры на различные линейки в зависимости от объема L2 кэша. В этот момент времени, именно объем кэш-памяти начинает решать главенствующую роль в позиционировании и производительности процессоров. 

Так, i5-2500К отличался от i7-2600K только объемом кэша. И надо отметить, речь уже идет о L3 кэше, который начинает появляться уже повсеместно. В первом случае L3 = 6 Мб, во втором 8 Мб. L2 у обеих моделей равнялся  256 Кб на одно ядро, а  L1 был равен по-прежнему 32 Кб.

Далее происходит рост L3 у последующих поколений. У i9-9900K он уже равен 16 Мб. Параллельно развивается HEDT линейка процессоров Intel, где L3 уже достигает 24.5 Мб. Но дальнейшее развитие всей процессорной архитектуры меняют процессоры AMD с микроархитектурой ZEN и производные от них. Стартовало первое поколение AMD Ryzen c L2 = 512 Кб и L3 = 8 Мб, а на сегодняшний день топовый Ryzen Gen3 уже обладает 64 Мб L3 кэша. Недавний анонс новых серверных процессоров AMD Epyс вообще увеличил объем L3 до астрономических 768 Мб.

Таким образом, система кэшей процессора позволяет частично уйти от зависимости от низкой производительности оперативной памяти, ведь процесс развития процессоров и скорости их кэшей намного опережает скорость оперативной памяти. Важно отметить и тот факт, что чем больше кэша у процессора, тем выше его производительность.

Поэтому при выборе того или иного процессора, обращайте внимание на объем L3 кэша процессора. Возможно, в будущем, объемы порядка пары гигабайт L3 кэша станут нормой, но а пока следим за стоимостью AMD Ryzen, в зависимости от популярности Raptoreum.  Надеюсь, этот блог оказался для вас полезным.