¿Cómo funciona la caché de la CPU y qué son L1, L2 y L3?

¿Está comprando o actualizando su CPU y no entiende para qué sirven las cachés L1, L2 o L3? ¡Esto es lo que necesita saber!

Los procesadores de computadora han avanzado bastante en los últimos años, con el tamaño de los transistores cada año más pequeño y los avances alcanzan un punto en el que la Ley de Moore se está volviendo rápidamente redundante.

Cuando se trata de procesadores, no solo cuentan los transistores y las frecuencias, sino también el caché.

Es posible que haya oído hablar de la memoria caché cuando se habla de las CPU (unidades centrales de procesamiento). Sin embargo, no prestamos demasiada atención a estos números, ni son realmente el punto culminante principal de los anuncios de estas CPU.

Entonces, ¿qué importancia tiene la memoria caché de la CPU y cómo funciona?

¿Qué Es La Caché De La CPU?
En pocas palabras, un caché es un tipo de memoria realmente rápido. Como sabrá, una computadora tiene varios tipos de memoria en su interior. Hay un almacenamiento primario, como un disco duro o un SSD, que almacena la mayor parte de los datos: el sistema operativo y todos los programas.

A continuación, tenemos la memoria de acceso aleatorio, comúnmente conocida como RAM. Esto es mucho más rápido que el almacenamiento principal.

Por último, la CPU tiene unidades de memoria aún más rápidas dentro de sí misma, que conocemos como caché.

La memoria en una computadora tiene una jerarquía, basada en la velocidad, y el caché se encuentra en la parte superior de esta jerarquía, siendo el más rápido. También es el más cercano a donde ocurre el procesamiento central, siendo parte de la propia CPU.

La caché es una RAM estática (SRAM), en comparación con la RAM del sistema, que es una RAM dinámica (DRAM). La RAM estática es aquella que puede contener datos sin necesidad de actualizarse constantemente, a diferencia de la DRAM, que hace que la SRAM sea ideal para utilizarla como caché.

¿Cómo Funciona La Caché De La CPU?
Como ya sabrá, un programa está diseñado como un conjunto de instrucciones para ser ejecutadas por la CPU. Cuando ejecuta un programa, estas instrucciones deben ir desde el almacenamiento principal hasta la CPU. Aquí es donde entra en juego la jerarquía de la memoria.

Los datos primero se cargan en la RAM y luego se envían a la CPU. Las CPU en estos días son capaces de ejecutar una cantidad gigantesca de instrucciones por segundo. Para aprovechar al máximo su potencia, la CPU necesita acceso a una memoria ultrarrápida. Aquí es donde entra el caché.

El controlador de memoria hace el trabajo de tomar los datos de la RAM y enviarlos a la caché. Dependiendo de qué CPU esté en su sistema, este controlador puede estar en el chipset North Bridge en la placa base o dentro de la propia CPU.

La caché luego lleva a cabo el intercambio de datos dentro de la CPU. La jerarquía de la memoria también existe dentro de la caché.

Los Niveles De Caché: L1, L2 Y L3
La caché de la CPU se divide en tres 'Niveles' principales, L1, L2 y L3. La jerarquía aquí está nuevamente de acuerdo con la velocidad y, por lo tanto, el tamaño de la caché.

La caché L1 (Nivel 1) es la memoria más rápida que está presente en un sistema informático. En términos de prioridad de acceso, la caché L1 tiene los datos que es más probable que necesite la CPU para completar una determinada tarea.

En lo que respecta al tamaño, la caché L1 suele llegar a 256 KB. Sin embargo, algunas CPU realmente potentes ahora lo están acercando a 1 MB. Algunos conjuntos de chips de servidor (como las CPU Xeon de gama alta de Intel) ahora tienen entre 1 y 2 MB de caché L1.

La caché L1 también suele dividirse en dos formas, en la caché de instrucciones y la caché de datos. La caché de instrucciones se ocupa de la información sobre la operación que debe realizar la CPU, mientras que la caché de datos contiene los datos sobre los que se va a realizar la operación.


La caché L2 (Nivel 2) es más lenta que la caché L1, pero de mayor tamaño. Su tamaño suele variar entre 256 KB y 8 MB, aunque las CPU más nuevas y potentes tienden a superarlo. La caché L2 contiene datos a los que es probable que la CPU acceda a continuación. En la mayoría de las CPU modernas, las cachés L1 y L2 están presentes en los propios núcleos de la CPU, y cada núcleo tiene su propia caché.

La caché L3 (Nivel 3) es la unidad de memoria caché más grande y también la más lenta. Puede variar entre 4 MB y más de 50 MB. Las CPU modernas tienen espacio dedicado en la matriz de la CPU para la caché L3, y ocupa una gran parte del espacio.

Acierto O Error De Caché Y Latencia
Los datos fluyen desde la RAM a la caché L3, luego a la L2 y finalmente a la L1. Cuando el procesador busca datos para realizar una operación, primero intenta encontrarlos en la caché L1. Si la CPU puede encontrarlo, la condición se denomina acierto de caché. Luego procede a encontrarlo en L2 y luego en L3.

Si no encuentra los datos, intenta acceder a ellos desde la memoria principal. A esto se le llama falta de caché.

Ahora, como sabemos, el caché está diseñado para acelerar el intercambio de información entre la memoria principal y la CPU. El tiempo necesario para acceder a los datos de la memoria se denomina latencia. L1 tiene la latencia más baja, siendo la más rápida y más cercana al núcleo, y L3 tiene la más alta. La latencia aumenta mucho cuando hay una falta de caché. Esto se debe a que la CPU debe obtener los datos de la memoria principal.

A medida que las computadoras se vuelven más rápidas y mejores, vemos una disminución en la latencia. Ahora tenemos RAM DDR4 de baja latencia y SSD súper rápidos con tiempos de acceso bajos como almacenamiento principal, los cuales reducen significativamente la latencia general.

Anteriormente, los diseños de caché solían tener cachés L2 y L3 fuera de la CPU, lo que tenía un efecto negativo en la latencia.

Sin embargo, los avances en los procesos de fabricación relacionados con los transistores de CPU han hecho posible colocar miles de millones de transistores en un espacio más pequeño que antes. Como resultado, queda más espacio para la caché, lo que permite que la caché esté lo más cerca posible del núcleo, lo que reduce significativamente la latencia.

El Futuro De La Caché
El diseño de la caché siempre está evolucionando, especialmente a medida que la memoria se vuelve más barata, más rápida y más densa. Intel y AMD han experimentado una buena cantidad de experimentos con diseños de caché, e Intel incluso ha experimentado con un caché L4. El mercado de las CPU avanza más rápido que nunca.

Con eso, seguramente veremos que el diseño de la caché se mantiene al día con el poder cada vez mayor de las CPU.

Además, se está haciendo mucho para reducir los cuellos de botella que tienen las computadoras modernas. Reducir la latencia de la memoria es quizás la parte más importante. La industria está trabajando para encontrar soluciones para lo mismo y el futuro parece realmente prometedor.

Es posible que incluso haya oído hablar de Intel Optane, que se puede utilizar como una especie de caché externa híbrida.

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