Comment fonctionne le cache du processeur et que sont L1, L2 et L3?
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Les processeurs informatiques ont beaucoup progressé au cours des dernières années, la taille des transistors devenant de plus en plus petite chaque année, et les avancées ont atteint un point où la loi de Moore est rapidement devenue superflue.
En ce qui concerne les processeurs, ce ne sont pas seulement les transistors et les fréquences qui comptent, mais également le cache.
Vous avez peut-être entendu parler de la mémoire cache lorsque des processeurs (unités de traitement centrales) sont en cours de discussion. Cependant, nous ne payons pas trop d’attention à ces chiffres, et ils ne sont pas non plus le point fort des annonces de ces processeurs.
Alors, quelle est l’importance du cache du processeur et comment fonctionne-t-il?
Qu'est-ce que le cache du processeur?
Pour le dire simplement, un cache est juste un type de mémoire très rapide. Comme vous le savez peut-être, un ordinateur contient plusieurs types de mémoire. Il existe un stockage principal, tel qu'un disque dur ou un SSD, qui stocke la majeure partie des données - le système d'exploitation et tous les programmes.
Ensuite, nous avons la Random Access Memory, communément appelée RAM. C'est beaucoup plus rapide que le stockage principal.
Enfin, la CPU possède en son sein des unités de mémoire encore plus rapides, que nous appelons le cache.
La mémoire dans un ordinateur a une hiérarchie, basée sur la vitesse, et le cache se trouve au sommet de cette hiérarchie, étant le plus rapide. C'est également le lieu le plus proche du traitement central, faisant partie de la CPU elle-même.
Le cache est une RAM statique (SRAM), par rapport à la RAM système, qui est une RAM dynamique (DRAM). La RAM statique est une mémoire qui peut contenir des données sans avoir à être actualisée en permanence, contrairement à la mémoire DRAM, qui rend la mémoire SRAM idéale pour le cache.
Comment fonctionne le cache CPU?
Comme vous le savez peut-être déjà, un programme est conçu comme un ensemble d'instructions, à exécuter par le CPU. Lorsque vous exécutez un programme, ces instructions doivent passer de la mémoire principale à la CPU. C’est là que la hiérarchie de la mémoire entre en jeu.
Les données sont d'abord chargées dans la RAM, puis envoyées à la CPU. De nos jours, les processeurs sont capables d'exécuter un nombre gigantesque d'instructions par seconde. Pour utiliser pleinement sa puissance, le processeur doit avoir accès à de la mémoire ultra-rapide. C'est là que la cache entre en jeu.
Le contrôleur de mémoire prend les données de la RAM et les envoie au cache. En fonction du processeur installé sur votre système, ce contrôleur peut être installé sur le chipset North Bridge de la carte mère ou à l'intérieur du processeur.
Le cache effectue ensuite le va-et-vient des données au sein de la CPU. La hiérarchie de la mémoire existe également dans le cache.
(Si vous souhaitez savoir comment fonctionne le processeur, consultez notre article qui explique les principes de base du processeur: qu'est-ce qu'un processeur et que fait-il? Qu'est-ce qu'un processeur et que fait-il? Les acronymes informatiques prêtent à confusion. Qu'est-ce qui rend le processeur? Et puis-je avoir besoin d'un processeur quad ou dual-core? Qu'en est-il d'AMD ou d'Intel? Nous sommes là pour vous aider à expliquer la différence! Lire la suite.)
Les niveaux de cache: L1, L2 et L3
La mémoire cache de la CPU est divisée en trois «niveaux» principaux: L1, L2 et L3. La hiérarchie est à nouveau en fonction de la vitesse, et donc de la taille du cache.
Le cache L1 (niveau 1) est la mémoire la plus rapide présente dans un système informatique. En termes de priorité d’accès, le cache N1 contient les données dont le processeur aura probablement besoin pendant l’exécution d’une tâche donnée.
En ce qui concerne la taille, le cache L1 atteint généralement 256 Ko. Cependant, certains processeurs très puissants prennent maintenant près de 1 Mo. Certains chipsets de serveur (comme les processeurs Xeon haut de gamme d'Intel) ont maintenant entre 1 et 2 Mo de cache L1.
Le cache L1 est également généralement divisé en deux manières, dans le cache d'instructions et le cache de données. Le cache d'instructions traite les informations relatives à l'opération que la CPU doit effectuer, tandis que le cache de données contient les données sur lesquelles l'opération doit être effectuée.
Le cache L2 (niveau 2) est plus lent que le cache L1, mais de taille supérieure. Sa taille varie généralement entre 256 Ko et 8 Mo, bien que les processeurs les plus récents et les plus puissants tendent à aller au-delà. Le cache L2 contient les données auxquelles la CPU aura probablement accès. Dans la plupart des processeurs modernes, les caches L1 et L2 sont présents sur les cœurs des processeurs eux-mêmes, chacun d'eux disposant de son propre cache.
Le cache L3 (niveau 3) est la plus grande unité de mémoire cache, mais aussi la plus lente. Il peut aller de 4 Mo à plus de 50 Mo. Les processeurs modernes ont un espace dédié sur la puce du processeur pour le cache L3, qui occupe une grande partie de cet espace.
Cache Hit ou Miss et latence
Les données circulent de la RAM vers le cache L3, puis vers L2 et enfin L1. Lorsque le processeur recherche des données pour effectuer une opération, il essaie d'abord de les trouver dans le cache L1. Si le processeur est capable de le trouver, la condition est appelée un accès au cache. Il procède ensuite à le trouver dans L2, puis L3.
S'il ne trouve pas les données, il tente d'y accéder depuis la mémoire principale. Ceci s'appelle un cache miss.
Comme nous le savons, le cache est conçu pour accélérer le va-et-vient des informations entre la mémoire principale et le processeur. Le temps nécessaire pour accéder aux données de la mémoire est appelé latence. L1 a la latence la plus faible, étant la plus rapide et la plus proche du cœur, et L3, la plus élevée. La latence augmente considérablement en cas d’absence de mémoire cache. En effet, le processeur doit extraire les données de la mémoire principale.
À mesure que les ordinateurs deviennent plus rapides et plus performants, nous constatons une diminution de la latence. Nous avons à présent une mémoire RAM DDR4 à faible temps de latence et des disques SSD ultra-rapides avec des temps d’accès bas comme stockage principal, ce qui réduit considérablement la latence globale. Si vous voulez en savoir plus sur le fonctionnement de la RAM, voici notre guide rapide et sale sur la RAM Un guide rapide et sale sur la RAM: Ce que vous devez savoir Un guide rapide et sale sur la RAM: Ce que vous devez savoir La RAM est cruciale composant de chaque ordinateur, mais cela peut être déroutant. Nous le décomposerons en termes faciles à comprendre que vous comprendrez. Lire la suite .
Auparavant, les conceptions de cache utilisaient les caches L2 et L3 en dehors du processeur, ce qui a un effet négatif sur la latence.
Toutefois, les progrès réalisés dans les processus de fabrication liés aux transistors à processeur ont permis d’installer des milliards de transistors dans un espace plus réduit qu’auparavant. En conséquence, la mémoire cache laisse plus de place, ce qui lui permet d'être aussi proche que possible du cœur, ce qui réduit considérablement le temps de latence.
L'avenir de la cache
La conception des caches évolue constamment, d'autant plus que la mémoire devient moins chère, plus rapide et plus dense. Intel et AMD ont eu leur part d'expérimentation sur la conception de cache, Intel expérimentant même un cache L4. Le marché des processeurs progresse plus rapidement que jamais.
Avec cela, nous ne manquerons pas de voir la conception du cache suivre la puissance toujours croissante des processeurs.
En outre, beaucoup est fait pour réduire les goulots d'étranglement des ordinateurs modernes. La réduction de la latence de la mémoire est peut-être la plus grande partie de celle-ci. L'industrie travaille à la recherche de solutions similaires et l'avenir est très prometteur.
Vous avez peut-être même entendu parler d'Intel Optane, qui peut être utilisé comme une sorte de cache externe hybride. Si ce n’est pas le cas, consultez notre article qui explore les applications potentielles d’Intel Optane. Est-ce que la mémoire Intel Optane est une mémoire RAM DDR3 bon marché? La mémoire DDR3 Intel Optane Memory pas cher? Vous vous demandez quelle est la mémoire Optane d'Intel? Est-ce RAM bon marché, ou quelque chose de plus? Voici ce que vous devez savoir. Lire la suite .
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