Comment fonctionne le cache CPU ? Que sont les caches L1, L2 et L3 ?
Les processeurs informatiques ont parcouru un long chemin ces dernières années. Les transistors deviennent de plus en plus petits chaque année et les progrès atteignent le point où la loi de Moore devient redondante.
En ce qui concerne les processeurs, non seulement les transistors et la fréquence sont importants, mais les caches sont également importants.
Vous avez peut-être entendu parler des caches lorsque vous discutez des CPU (Central Processing Units). Cependant, nous n’accordons pas suffisamment d’attention à ces numéros de cache CPU, et ils ne sont pas non plus les principaux points forts de la publicité CPU.
Alors, quelle est l’importance du cache CPU et comment fonctionne-t-il ?
Qu’est-ce que le cache CPU ?
En bref, le cache mémoire du processeur n’est qu’une mémoire très rapide. Au début de l’informatique, la vitesse du processeur et la vitesse de la mémoire étaient faibles. Cependant, dans les années 1980, les vitesses des processeurs ont commencé à augmenter rapidement. La mémoire système (RAM) à l’époque ne pouvait pas gérer ou égaler les vitesses sans cesse croissantes du processeur, c’est pourquoi un nouveau type de mémoire ultra-rapide est né : le cache du processeur.
Il existe maintenant plusieurs types de mémoire à l’intérieur de votre ordinateur.
Il existe un stockage principal, comme un disque dur ou un SSD, pour stocker de grandes quantités de données – systèmes d’exploitation et programmes.
Ensuite, nous avons la mémoire vive, communément appelée RAM. C’est beaucoup plus rapide que le stockage principal, mais ce n’est qu’un support de stockage à court terme. Votre ordinateur et les programmes qu’il contient utilisent la RAM pour stocker les données fréquemment consultées, ce qui vous aide à maintenir votre ordinateur en bon état de fonctionnement et à la vitesse voulue.
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Enfin, il existe une unité de mémoire plus rapide à l’intérieur du processeur, appelée cache mémoire du processeur.
La mémoire de l’ordinateur a une hiérarchie basée sur la vitesse à laquelle elle fonctionne. Le cache CPU est au sommet de cette hiérarchie et est le plus rapide. C’est aussi la chose la plus proche du traitement central et fait partie du processeur lui-même.
Il existe également différents types de mémoire informatique.
Le cache est une forme de RAM statique (SRAM), tandis que votre RAM système habituelle est appelée RAM dynamique (DRAM). Contrairement à la DRAM, la RAM statique peut contenir des données sans rafraîchissement constant, ce qui rend la SRAM idéale pour la mémoire cache.
Comment fonctionne le cache CPU ?
Les programmes et les applications de votre ordinateur sont conçus comme un ensemble d’instructions que le processeur interprète et exécute. Lorsque vous exécutez un programme, les instructions sont transférées du stockage principal (votre disque dur) vers le CPU. C’est là que la hiérarchie de la mémoire entre en jeu.
Les données sont d’abord chargées dans la RAM puis envoyées au CPU. Les processeurs d’aujourd’hui sont capables d’exécuter un grand nombre d’instructions par seconde. Pour tirer pleinement parti de sa puissance, le processeur doit accéder à une mémoire ultra-rapide, c’est là que le cache du processeur entre en jeu.
Le contrôleur de mémoire récupère les données de la RAM et les envoie au cache du CPU. Selon votre CPU, soit le contrôleur se trouve sur le CPU, soit le chipset Northbridge se trouve sur la carte mère.
Le cache mémoire effectue ensuite le transfert de données dans les deux sens au sein du CPU. Il existe également une hiérarchie de mémoire dans le cache CPU.
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Niveaux de cache CPU : L1, L2 et L3
La mémoire cache du processeur est divisée en trois « niveaux »: L1, L2 et L3. La hiérarchie de la mémoire dépend à nouveau de la vitesse et donc de la taille du cache.
Alors, la taille du cache CPU a-t-elle un impact sur les performances ?
Cache L1
Le cache L1 (niveau 1) est la mémoire la plus rapide qui existe dans un système informatique. En termes de priorité d’accès, le cache L1 contient les données dont le processeur est le plus susceptible d’avoir besoin pour effectuer une tâche.
La taille du cache L1 dépend du processeur. Certains processeurs grand public haut de gamme disposent désormais de 1 Mo de cache L1, comme l’Intel i9-9980XE, mais ils sont chers et encore très peu nombreux. Certains chipsets de serveur, tels que la série Xeon d’Intel, disposent également de 1 à 2 Mo de mémoire cache L1.
Il n’y a pas de taille de cache L1 « standard », vous devez donc vérifier les spécifications de votre processeur pour déterminer la taille exacte du cache mémoire L1 avant d’acheter.
Le cache L1 est généralement divisé en deux parties : le cache d’instructions et le cache de données. Le cache d’instructions gère les informations sur les opérations que le CPU doit effectuer, tandis que le cache de données contient les données pour effectuer les opérations.
Cache L2
Le cache L2 (niveau 2) est plus lent que le cache L1, mais sa taille est plus grande. Les caches L1 peuvent être mesurés en kilo-octets, tandis que les caches de mémoire L2 modernes sont mesurés en mégaoctets. Par exemple, le très apprécié Ryzen 5 5600X d’AMD dispose de 384 Ko de cache L1 et de 3 Mo de cache L2 (plus 32 Mo de cache L3).
La taille du cache L2 varie selon le processeur, mais se situe généralement entre 256 Ko et 8 Mo. La plupart des processeurs modernes contiendront plus de 256 Ko de cache L2, ce qui est désormais considéré comme petit. De plus, certains des processeurs modernes les plus puissants ont des caches mémoire L2 plus grands, supérieurs à 8 Mo.
En termes de vitesse, le cache L2 est en retard par rapport au cache L1, mais reste nettement plus rapide que la RAM système. Le cache mémoire L1 est généralement 100 fois plus rapide que la RAM, tandis que le cache L2 est environ 25 fois plus rapide.
Cache L3
au cache L3 (niveau 3). Au début, le cache mémoire L3 se trouvait en fait sur la carte mère. C’était il y a longtemps, lorsque la plupart des processeurs n’étaient que des processeurs monocœur. Désormais, le cache L3 de votre CPU peut être très volumineux, jusqu’à 32 Mo de cache L3 sur les CPU grand public haut de gamme. Certains caches CPU L3 du serveur peuvent dépasser cette valeur, jusqu’à 64 Mo.
Le cache L3 est l’unité de mémoire cache la plus grande mais aussi la plus lente. Les processeurs modernes incluent le propre cache L3 du processeur. Mais alors que les caches L1 et L2 existent pour chaque cœur de la puce elle-même, le cache L3 s’apparente davantage à un pool de mémoire à usage général que la puce entière peut utiliser.
La figure suivante montre les niveaux de mémoire cache du processeur pour le processeur Intel Core i5-3570K :
Remarquez comment le cache L1 est divisé en deux parties, tandis que L2 et L3 sont chacun plus grands.
De combien de mémoire cache CPU ai-je besoin ?
C’est une bonne question. Comme vous vous en doutez, plus il y en a, mieux c’est. Les derniers processeurs contiendront naturellement plus de cache CPU que les anciennes générations, et le cache peut également être plus rapide. Une chose que vous pouvez faire est d’apprendre à comparer efficacement les processeurs. Il existe de nombreuses informations, et apprendre à comparer et à contraster différents processeurs peut vous aider à prendre la bonne décision d’achat.
Comment les données se déplacent-elles entre les caches mémoire du processeur ?
La plus grande question : comment fonctionne la mémoire cache du processeur ?
Dans les termes les plus élémentaires, les données circulent de la RAM vers le cache L3, puis 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 le trouve, la condition est appelée un accès au cache. Ensuite, il continue à le trouver dans L2 et L3.
Si le processeur ne trouve pas les données dans l’un des caches mémoire, il essaie d’y accéder à partir de votre mémoire système (RAM). Lorsque cela se produit, cela s’appelle un manque de cache.
Maintenant, comme nous le savons, les caches sont conçus pour accélérer le transfert d’informations entre la mémoire principale et le CPU. Le temps nécessaire pour accéder aux données de la mémoire est appelé « latence ».
Le cache L1 a la latence la plus faible, la plus rapide et la plus proche du cœur, tandis que L3 a la latence la plus élevée. La latence du cache mémoire augmente en cas d’échec du cache lorsque le processeur doit récupérer des données dans la mémoire système.
La latence continue de diminuer à mesure que les ordinateurs deviennent plus rapides et plus efficaces. La RAM DDR4 à faible latence et le SSD ultra-rapide réduisent la latence, rendant l’ensemble de votre système plus rapide que jamais. À cet égard, la vitesse de la mémoire système est également importante.
L’avenir des caches CPU
Les conceptions de cache évoluent constamment, d’autant plus que la mémoire devient moins chère, plus rapide et plus dense. Par exemple, l’une des dernières innovations d’AMD est Smart Access Memory et Infinite Cache, qui améliorent toutes deux les performances de l’ordinateur.
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