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

Los procesadores de las computadoras han avanzado bastante en los últimos años. Los transistores se vuelven más pequeños cada año y los avances están llegando a un punto en el que la Ley de Moore se vuelve redundante.

Cuando se trata de procesadores, no solo cuentan los transistores y las frecuencias, sino también la memoria 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 suficiente atención a estos números de memoria caché de la CPU, ni son lo más destacado de los anuncios de la CPU.

Entonces, ¿exactamente qué tan importante es el caché de la CPU y cómo funciona?

¿Qué es la memoria caché de la CPU?

En pocas palabras, una caché de memoria de la CPU es solo un tipo de memoria realmente rápido. En los primeros días de la informática, la velocidad del procesador y la velocidad de la memoria eran bajas. Sin embargo, durante la década de 1980, las velocidades de los procesadores comenzaron a aumentar rápidamente. La memoria del sistema en ese momento (RAM) no podía hacer frente o igualar las velocidades crecientes de la CPU, por lo que nació un nuevo tipo de memoria ultrarrápida: la memoria caché de la CPU.

Ahora, su computadora tiene múltiples tipos de memoria en su interior.

El almacenamiento principal, como un disco duro o SSD, almacena la mayor parte de los datos: el sistema operativo y los programas.

A continuación, tenemos la «memoria de acceso aleatorio», comúnmente conocida como RAM. Esto es mucho más rápido que el almacenamiento primario, pero es solo un medio de almacenamiento a corto plazo. Su computadora y sus programas usan la memoria RAM para almacenar datos a los que se accede con frecuencia, lo que ayuda a mantener las acciones en su computadora agradables y rápidas.

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

La memoria de la computadora tiene una jerarquía basada en su velocidad operativa. La memoria caché de la CPU se encuentra en la parte superior de esta jerarquía, siendo la más rápida. También es el más cercano a donde ocurre el procesamiento central, siendo parte de la propia CPU. Según Tech Target , «la memoria caché funciona entre 10 y 100 veces más rápido que la RAM, y solo requiere unos pocos nanosegundos para responder a una solicitud de la CPU».

La memoria de la computadora también viene en diferentes tipos.

La memoria caché es una forma de RAM estática (SRAM), mientras que la RAM normal del sistema se conoce como RAM dinámica (DRAM). La RAM estática puede contener datos sin necesidad de actualizarse constantemente, a diferencia de la DRAM, que hace que la SRAM sea ideal para la memoria caché.

¿Cómo funciona la memoria caché de la CPU?

Los programas y aplicaciones en su computadora están diseñados como un conjunto de instrucciones que la CPU interpreta y ejecuta. Cuando ejecuta un programa, las instrucciones se abren camino desde el almacenamiento principal (su disco duro) 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 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, que es donde entra en juego la memoria caché de la CPU.

El controlador de memoria toma los datos de la RAM y los envía a la memoria caché de la CPU. Dependiendo de su CPU, el controlador se encuentra en la CPU o en el conjunto de chips Northbridge en su placa base.

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

Los niveles de memoria caché de la CPU: L1, L2 y L3

La memoria caché de la CPU se divide en tres «niveles»: L1, L2 y L3. La jerarquía de la memoria depende nuevamente de la velocidad y, por lo tanto, del tamaño de la memoria caché.

Entonces, ¿el tamaño de la memoria caché de la CPU influye en el rendimiento?

Caché L1

El 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 la CPU necesite mientras completa una determinada tarea.

El tamaño de la caché L1 depende de la CPU. Algunas CPU de consumo de gama alta ahora cuentan con una memoria caché L1 de 1 MB, como Intel i9-9980XE, pero cuestan una gran cantidad de dinero y aún son pocas. Algunos conjuntos de chips de servidor, como la gama Xeon de Intel, también cuentan con una caché de memoria L1 de 1-2 MB.

No hay un tamaño de caché L1 «estándar», por lo que debe verificar las especificaciones de la CPU para determinar el tamaño exacto de caché de memoria L1 antes de comprar.

El caché L1 generalmente se divide en dos secciones: el caché de instrucciones y el caché de datos. La memoria caché de instrucciones se ocupa de la información sobre la operación que debe realizar la CPU, mientras que la memoria caché de datos contiene los datos sobre los que se realizará la operación.

Caché L2

La caché L2 (Nivel 2) es más lenta que la caché L1 pero de mayor tamaño. Donde un caché L1 puede medirse en kilobytes, los cachés de memoria L2 modernos miden en megabytes. Por ejemplo, el altamente calificado Ryzen 5 5600X de AMD tiene un caché L1 de 384 KB y un caché L2 de 3 MB (más un caché L3 de 32 MB).

El tamaño de la caché L2 varía según la CPU, pero su tamaño suele oscilar entre 256 KB y 32 MB. La mayoría de las CPU modernas incluirán más de 256 KB de caché L2, y este tamaño ahora se considera pequeño. Además, algunas de las CPU modernas más potentes tienen una caché de memoria L2 más grande, que supera ampliamente los 8 MB. Por ejemplo,

Cuando se trata de velocidad, el caché L2 va a la zaga del caché L1, pero sigue siendo mucho más rápido que la memoria RAM del sistema. La caché de memoria L1 suele ser 100 veces más rápida que su RAM, mientras que la caché L2 es unas 25 veces más rápida.

Caché L3

En el caché L3 (Nivel 3). En los primeros días, el caché de memoria L3 en realidad se encontraba en la placa base. Esto fue hace mucho tiempo, cuando la mayoría de las CPU eran solo procesadores de un solo núcleo. Ahora, el caché L3 en su CPU puede ser enorme, con CPU de consumo de gama alta que cuentan con cachés L3 de hasta 32 MB, mientras que los revolucionarios CPU Ryzen 7 5800X3D de AMD vienen con 96 MB de caché L3. Algunos cachés L3 de la CPU del servidor pueden superar esto, con hasta 128 MB.

La caché L3 es la unidad de memoria caché más grande pero también la más lenta. Las CPU modernas incluyen la memoria caché L3 en la propia CPU. Pero mientras que el caché L1 y L2 existen para cada núcleo en el propio chip, el caché L3 es más parecido a un grupo de memoria general que todo el chip puede utilizar.

Las siguientes imágenes muestran los niveles de caché de memoria de la CPU para una CPU Intel Core i5-3570K lanzada en 2012 y una CPU AMD Ryzen 5800X, lanzada ocho años después, en 2020. Los datos de caché de la CPU se encuentran en la esquina inferior derecha de la segunda imagen.

Observe cómo el caché L1 se divide en dos, mientras que L2 y L3 son más grandes, respectivamente, en ambas CPU. Sin embargo, en el AMD Ryzen 5800X, el caché L3 es más de cinco veces más grande que el Intel i5-3570K.

¿Cuánta memoria caché de CPU necesito?

Es una buena pregunta. Más es mejor, como era de esperar. Las últimas CPU naturalmente incluirán más memoria caché de CPU que las generaciones anteriores, con una memoria caché potencialmente más rápida también. Una cosa que puede hacer es aprender a comparar CPU de manera efectiva. Hay mucha información disponible, y aprender a comparar y contrastar diferentes CPU puede ayudarlo a tomar la decisión de compra correcta.

El diseño de la memoria caché siempre está evolucionando, especialmente a medida que la memoria se vuelve más barata, más rápida y más densa. Por ejemplo, una de las innovaciones más recientes de AMD es Smart Access Memory e Infinity Cache, que aumentan el rendimiento.

¿Cómo se mueven los datos entre los cachés de memoria de la CPU?

La gran pregunta: ¿cómo funciona la memoria caché de la CPU?

En sus términos más básicos, los datos fluyen de 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 lo encuentra, la condición se denomina acierto de caché. Luego procede a buscarlo en L2 y luego en L3.

Si la CPU no encuentra los datos en ninguno de los cachés de memoria, intenta acceder a ellos desde la memoria de su sistema (RAM). Cuando eso sucede, se conoce como un error 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 llama «latencia».

La memoria caché L1 tiene la latencia más baja, siendo la más rápida y cercana al núcleo, y L3 tiene la más alta. La latencia de la caché de memoria aumenta cuando se pierde la caché, ya que la CPU tiene que recuperar los datos de la memoria del sistema.

La latencia continúa disminuyendo a medida que las computadoras se vuelven más rápidas y eficientes. La memoria RAM DDR4 y DDR5 de baja latencia y los SSD súper rápidos reducen la latencia, lo que hace que todo su sistema sea más rápido que nunca. En eso, la velocidad de la memoria de su sistema también es importante.

Explicación de la velocidad de caché de la CPU

El tamaño y la velocidad de la memoria caché de la CPU son importantes para el funcionamiento general de su computadora. Al igual que con la mayoría de los problemas relacionados con el hardware de la computadora, más es mejor y más rápido es siempre la elección inteligente.

Sin embargo, no debe permitir que el caché de la CPU se convierta en la última opción decisiva cuando se trata de comprar una nueva CPU. Claro, más y más rápido es mejor, pero también debe considerar otros factores importantes de rendimiento de la CPU, como la cantidad de núcleos, la velocidad del reloj de la CPU, etc.