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Come funziona la cache della CPU? Cosa sono la cache L1, L2 e L3?

Cos’è esattamente la cache della CPU? Perché ci sono le cache L1, L2 e L3? Ecco cosa devi sapere e come funzionano.

I processori dei computer sono avanzati parecchio negli ultimi anni. I transistor diventano più piccoli ogni anno, e i progressi stanno raggiungendo un punto in cui la legge di Moore sta diventando ridondante.

Quando si tratta di processori, non contano solo i transistor e le frequenze, ma anche la cache.

Potreste aver sentito parlare di memoria cache quando si parla di CPU (Central Processing Units). Tuttavia, non prestiamo abbastanza attenzione a questi numeri di memoria cache della CPU, né sono il punto principale della pubblicità delle CPU.

Quindi, esattamente quanto è importante la cache della CPU e come funziona?

Cos’è la memoria cache della CPU?

In parole povere, una memoria cache della CPU è solo un tipo di memoria molto veloce. Nei primi giorni dell’informatica, la velocità del processore e la velocità della memoria erano basse. Tuttavia, durante gli anni ’80, la velocità dei processori ha cominciato ad aumentare rapidamente. La memoria di sistema di allora (RAM) non poteva far fronte o eguagliare le crescenti velocità della CPU, e così è nato un nuovo tipo di memoria ultra-veloce: La memoria cache della CPU.

Ora, il tuo computer ha più tipi di memoria al suo interno.

C’è la memoria primaria, come un disco rigido o SSD, che memorizza la maggior parte dei dati – il sistema operativo e i programmi.

Poi abbiamo la memoria ad accesso casuale, comunemente nota come RAM. Questa è molto più veloce della memoria primaria, ma è solo un mezzo di memorizzazione a breve termine. Il tuo computer e i programmi su di esso utilizzano la RAM per memorizzare i dati di frequente accesso, aiutando a mantenere le azioni sul tuo computer belle e veloci.

Infine, la CPU ha unità di memoria ancora più veloci al suo interno, conosciute come la cache della memoria della CPU.

La memoria del computer ha una gerarchia basata sulla sua velocità operativa. La cache della CPU si trova in cima a questa gerarchia, essendo la più veloce. È anche la più vicina a dove avviene l’elaborazione centrale, essendo una parte della CPU stessa.

Anche la memoria del computer esiste in diversi tipi.

La memoria cache è una forma di RAM statica (SRAM), mentre la normale RAM di sistema è conosciuta come RAM dinamica (DRAM). La RAM statica può contenere dati senza bisogno di essere costantemente aggiornata, a differenza della DRAM, il che rende la SRAM ideale per la memoria cache.

Come funziona la cache della CPU?

I programmi e le applicazioni sul tuo computer sono progettati come una serie di istruzioni che la CPU interpreta ed esegue. Quando si esegue un programma, le istruzioni si fanno strada dalla memoria primaria (il disco rigido) alla CPU. È qui che entra in gioco la gerarchia della memoria.

I dati vengono prima caricati nella RAM e poi inviati alla CPU. Le CPU al giorno d’oggi sono in grado di eseguire un numero gigantesco di istruzioni al secondo. Per fare pieno uso della sua potenza, la CPU ha bisogno di accedere a una memoria super-veloce, ed è qui che entra in gioco la cache della CPU.

Il controller della memoria prende i dati dalla RAM e li invia alla cache della CPU. A seconda della tua CPU, il controller si trova sulla CPU o sul chipset Northbridge che si trova sulla scheda madre.

La cache della memoria esegue quindi l’andata e ritorno dei dati all’interno della CPU. La gerarchia della memoria esiste anche all’interno della cache della CPU.

I livelli di memoria cache della CPU: L1, L2 e L3

La memoria cache della CPU è divisa in tre “livelli”: L1, L2 e L3. La gerarchia della memoria è di nuovo in funzione della velocità e, quindi, della dimensione della cache.

Quindi, la dimensione della cache della CPU fa la differenza per le prestazioni?

Cache L1

La cache L1 (livello 1) è la memoria più veloce presente in un sistema informatico. In termini di priorità di accesso, la cache L1 ha i dati di cui la CPU ha più probabilità di aver bisogno mentre completa un certo compito.

La dimensione della cache L1 dipende dalla CPU. Alcune CPU consumer di fascia alta ora hanno una cache L1 di 1MB, come l’Intel i9-9980XE, ma queste costano un sacco di soldi e sono ancora poche. Alcuni chipset per server, come la gamma Xeon di Intel, hanno anche una cache di memoria L1 di 1-2MB.

Non c’è una dimensione “standard” della cache L1, quindi è necessario controllare le specifiche della CPU per determinare l’esatta dimensione della cache di memoria L1 prima dell’acquisto.

La cache L1 è solitamente divisa in due sezioni: la cache delle istruzioni e la cache dei dati. La cache delle istruzioni si occupa delle informazioni sull’operazione che la CPU deve eseguire, mentre la cache dei dati contiene i dati su cui l’operazione deve essere eseguita.

Cache L2

La cache L2 (livello 2) è più lenta della cache L1 ma di dimensioni maggiori. Dove una cache L1 può misurare in kilobyte, le moderne cache di memoria L2 misurano in megabyte. Per esempio, l’apprezzatissimo Ryzen 5 5600X di AMD ha una cache L1 di 384KB e una cache L2 di 3MB (più una cache L3 di 32MB).

La dimensione della cache L2 varia a seconda della CPU, ma la sua dimensione è tipicamente tra 256KB e 8MB. La maggior parte delle CPU moderne hanno più di una cache L2 di 256KB, e questa dimensione è ora considerata piccola. Inoltre, alcune delle più potenti CPU moderne hanno una cache di memoria L2 più grande, superiore a 8MB.

Quando si tratta di velocità, la cache L2 è indietro rispetto alla cache L1, ma è ancora molto più veloce della RAM di sistema. La cache L1 è tipicamente 100 volte più veloce della vostra RAM, mentre la cache L2 è circa 25 volte più veloce.

Cache L3

Passiamo alla cache L3 (livello 3). Nei primi tempi, la cache di memoria L3 si trovava effettivamente sulla scheda madre. Questo era molto tempo fa, quando la maggior parte delle CPU erano solo processori single-core. Ora, la cache L3 nella vostra CPU può essere enorme, con CPU consumer di fascia alta dotate di cache L3 fino a 32MB. Alcune CPU server con cache L3 possono superare questo limite, arrivando fino a 64MB.

La cache L3 è la più grande ma anche la più lenta unità di memoria cache. Le CPU moderne includono la cache L3 sulla CPU stessa. Ma mentre le cache L1 e L2 esistono per ogni core sul chip stesso, la cache L3 è più simile a un pool di memoria generale che l’intero chip può utilizzare.

L’immagine seguente mostra i livelli di cache della memoria della CPU per una CPU Intel Core i5-3570K:

Di quanta memoria cache della CPU ho bisogno?

È una buona domanda. Di più è meglio, come ci si potrebbe aspettare. Le ultime CPU includeranno naturalmente più memoria cache della CPU rispetto alle vecchie generazioni, con una memoria cache potenzialmente più veloce, anche. Una cosa che puoi fare è imparare a confrontare le CPU in modo efficace. Ci sono un sacco di informazioni là fuori, e imparare a confrontare e contrastare diverse CPU può aiutarvi a prendere la giusta decisione di acquisto.

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