CPU 캐시는 어떻게 작동합니까? L1, L2 및 L3 캐시란 무엇입니까?

CPU 캐시는 어떻게 작동합니까? L1, L2 및 L3 캐시란 무엇입니까?

컴퓨터 프로세서는 최근 몇 년 동안 상당히 발전했습니다. 트랜지스터는 매년 더 작아지고 발전은 무어의 법칙이 불필요해지는 지점에 도달하고 있습니다.





프로세서와 관련하여 중요한 것은 트랜지스터와 주파수뿐만 아니라 캐시도 마찬가지입니다.





CPU(중앙 처리 장치)에 대해 논의할 때 캐시 메모리에 대해 들어본 적이 있을 것입니다. 그러나 우리는 이러한 CPU 캐시 메모리 수에 충분한 주의를 기울이지 않으며 CPU 광고의 주요 하이라이트도 아닙니다.





그렇다면 CPU 캐시는 정확히 얼마나 중요하며 어떻게 작동합니까?

CPU 캐시 메모리란 무엇입니까?

간단히 말해서 CPU 메모리 캐시는 정말 빠른 유형의 메모리입니다. 컴퓨팅 초기에는 프로세서 속도와 메모리 속도가 낮았습니다. 그러나 1980년대에 프로세서 속도가 급격히 증가하기 시작했습니다. 당시의 시스템 메모리(RAM)는 증가하는 CPU 속도에 대처하거나 이에 대응할 수 없었고, 그래서 새로운 유형의 초고속 메모리인 CPU 캐시 메모리가 탄생했습니다.



이제 컴퓨터에는 여러 유형의 메모리가 있습니다.

운영 체제 및 프로그램과 같은 데이터의 대부분을 저장하는 하드 디스크 또는 SSD와 같은 기본 저장소가 있습니다.





다음으로 랜덤 액세스 메모리가 있습니다. 일반적으로 RAM으로 알려진 . 이것은 기본 저장 장치보다 훨씬 빠르지만 단기 저장 매체일 뿐입니다. 컴퓨터와 컴퓨터에 있는 프로그램은 RAM을 사용하여 자주 액세스하는 데이터를 저장하여 컴퓨터의 작업을 빠르고 훌륭하게 유지하는 데 도움이 됩니다.

마지막으로 CPU는 CPU 메모리 캐시라고 하는 자체 내부에 훨씬 더 빠른 메모리 단위를 가지고 있습니다.





컴퓨터 메모리는 작동 속도에 따라 계층 구조가 있습니다. CPU 캐시는 이 계층의 맨 위에 있으며 가장 빠릅니다. 또한 CPU 자체의 일부인 중앙 처리가 발생하는 위치와 가장 가깝습니다.

컴퓨터 메모리도 다양한 유형으로 제공됩니다.

캐시 메모리는 정적 RAM(SRAM)의 한 형태이고 일반 시스템 RAM은 동적 RAM(DRAM)으로 알려져 있습니다. 정적 RAM은 D램과 달리 지속적으로 새로 고침할 필요 없이 데이터를 보유할 수 있으므로 SRAM을 캐시 메모리에 이상적입니다.

CPU 캐시는 어떻게 작동합니까?

컴퓨터의 프로그램과 앱은 CPU가 해석하고 실행하는 일련의 명령으로 설계되었습니다. 프로그램을 실행할 때 명령은 기본 저장소(하드 드라이브)에서 CPU로 이동합니다. 여기서 메모리 계층이 작동합니다.

데이터는 먼저 RAM에 로드된 다음 CPU로 전송됩니다. 요즘 CPU는 초당 엄청난 수의 명령을 수행할 수 있습니다. CPU의 성능을 최대한 활용하려면 CPU 캐시가 들어오는 초고속 메모리에 액세스할 수 있어야 합니다.

메모리 컨트롤러는 RAM에서 데이터를 가져와 CPU 캐시로 보냅니다. CPU에 따라 컨트롤러는 CPU에 있거나 Northbridge 칩셋은 마더보드에 있습니다.

그런 다음 메모리 캐시는 CPU 내에서 데이터를 앞뒤로 수행합니다. 메모리 계층 구조는 CPU 캐시에도 존재합니다.

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CPU 캐시 메모리 수준: L1, L2 및 L3

CPU 캐시 메모리는 L1, L2 및 L3의 세 가지 '레벨'로 나뉩니다. 메모리 계층은 속도와 캐시 크기에 따라 달라집니다.

그렇다면 CPU 캐시 크기가 성능에 영향을 미치나요?

L1 캐시

L1(레벨 1) 캐시는 컴퓨터 시스템에 있는 가장 빠른 메모리입니다. 액세스 우선 순위 측면에서 L1 캐시에는 특정 작업을 완료하는 동안 CPU가 가장 필요로 하는 데이터가 있습니다.

L1 캐시의 크기는 CPU에 따라 다릅니다. 일부 최고급 소비자 CPU는 이제 Intel i9-9980XE와 같은 1MB L1 캐시를 특징으로 하지만 엄청난 비용이 들며 여전히 소수에 불과합니다. Intel의 Xeon 제품군과 같은 일부 서버 칩셋에는 1-2MB L1 메모리 캐시도 있습니다.

'표준' L1 캐시 크기가 없으므로 구매하기 전에 CPU 사양을 확인하여 정확한 L1 메모리 캐시 크기를 결정해야 합니다.

L1 캐시는 일반적으로 명령 캐시와 데이터 캐시의 두 부분으로 나뉩니다. 명령어 캐시는 CPU가 수행해야 하는 작업에 대한 정보를 처리하고 데이터 캐시는 작업이 수행될 데이터를 보유합니다.

L2 캐시

L2(레벨 2) 캐시는 L1 캐시보다 느리지만 크기는 더 큽니다. L1 캐시가 킬로바이트 단위로 측정되는 반면 최신 L2 메모리 캐시는 메가바이트 단위로 측정됩니다. 예를 들어 AMD의 높은 평가를 받은 Ryzen 5 5600X에는 384KB L1 캐시와 3MB L2 캐시(32MB L3 캐시 포함)가 있습니다.

L2 캐시 크기는 CPU에 따라 다르지만 일반적으로 256KB에서 8MB 사이입니다. 대부분의 최신 CPU는 256KB L2 캐시 이상을 포장하며 이 크기는 이제 작은 것으로 간주됩니다. 또한 가장 강력한 최신 CPU 중 일부는 8MB를 초과하는 더 큰 L2 메모리 캐시를 가지고 있습니다.

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속도면에서 L2 캐시는 L1 캐시보다 뒤쳐지지만 여전히 시스템 RAM보다 훨씬 빠릅니다. L1 메모리 캐시는 일반적으로 RAM보다 100배 빠르며 L2 캐시는 약 25배 빠릅니다.

L3 캐시

L3(레벨 3) 캐시로. 초기에는 L3 메모리 캐시가 실제로 마더보드에서 발견되었습니다. 이것은 아주 오래 전, 대부분의 CPU가 단일 코어 프로세서였을 때였습니다. 이제 CPU의 L3 캐시는 최대 32MB의 L3 캐시를 특징으로 하는 최고급 소비자 CPU로 방대할 수 있습니다. 일부 서버 CPU L3 캐시는 최대 64MB를 특징으로 이 값을 초과할 수 있습니다.

L3 캐시는 가장 크지만 가장 느린 캐시 메모리 단위입니다. 최신 CPU는 CPU 자체에 L3 캐시를 포함합니다. 그러나 L1 및 L2 캐시는 칩 자체의 각 코어에 대해 존재하지만 L3 캐시는 전체 칩이 사용할 수 있는 일반 메모리 풀과 더 유사합니다.

다음 이미지는 Intel Core i5-3570K CPU의 CPU 메모리 캐시 수준을 보여줍니다.

L1 캐시가 두 개로 분할되는 반면 L2와 L3은 각각 더 큽니다.

얼마나 많은 CPU 캐시 메모리가 필요합니까?

좋은 질문입니다. 예상대로 많을수록 좋습니다. 최신 CPU에는 자연스럽게 이전 세대보다 더 많은 CPU 캐시 메모리가 포함되며 잠재적으로 더 빠른 캐시 메모리도 포함됩니다. 당신이 할 수 있는 한 가지는 배우는 것입니다 CPU를 효과적으로 비교하는 방법 . 거기에는 많은 정보가 있으며 다른 CPU를 비교하고 대조하는 방법을 배우면 올바른 구매 결정을 내리는 데 도움이 될 수 있습니다.

CPU 메모리 캐시 간에 데이터가 어떻게 이동합니까?

큰 질문: CPU 캐시 메모리는 어떻게 작동합니까?

가장 기본적인 용어로 데이터는 RAM에서 L3 캐시로 흐른 다음 L2로, 마지막으로 L1으로 흐릅니다. 프로세서가 작업을 수행할 데이터를 찾을 때 먼저 L1 캐시에서 데이터를 찾으려고 시도합니다. CPU가 그것을 찾으면 조건을 캐시 적중이라고 합니다. 그런 다음 L2에서 찾은 다음 L3에서 찾습니다.

CPU가 메모리 캐시에서 데이터를 찾지 못하면 시스템 메모리(RAM)에서 데이터에 액세스하려고 시도합니다. 이 경우 캐시 미스라고 합니다.

이제 우리가 알다시피 캐시는 주 메모리와 CPU 사이에서 정보를 주고받는 속도를 높이도록 설계되었습니다. 메모리에서 데이터에 액세스하는 데 필요한 시간을 '대기 시간'이라고 합니다.

L1 캐시 메모리는 지연 시간이 가장 짧고 코어에 가장 빠르고 가장 가깝고 L3가 가장 높습니다. CPU가 시스템 메모리에서 데이터를 검색해야 하므로 캐시 누락이 있는 경우 메모리 캐시 대기 시간이 증가합니다.

컴퓨터의 속도와 효율성이 향상됨에 따라 대기 시간은 계속해서 감소합니다. 저지연 DDR4 RAM과 초고속 SSD가 지연 시간을 줄여 전체 시스템을 그 어느 때보다 빠르게 만듭니다. 그런 점에서 시스템 메모리의 속도도 중요합니다.

CPU 캐시 메모리의 미래

캐시 메모리 설계는 특히 메모리가 더 저렴하고 빠르며 밀도가 높아짐에 따라 항상 발전하고 있습니다. 예를 들어, AMD의 가장 최근 혁신 중 하나는 스마트 액세스 메모리와 무한 캐시이며, 둘 다 컴퓨터 성능을 향상시킵니다.

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저자 소개 개빈 필립스(945개 기사 출판)

Gavin은 Windows 및 Technology Explained의 주니어 편집자이며, really Useful Podcast의 정기 기고자이자 정기 제품 검토자입니다. 그는 Devon의 언덕에서 약탈한 디지털 아트 프랙티스로 학사(우등) 현대 작문과 10년 이상의 전문 작문 경험을 보유하고 있습니다. 그는 많은 양의 차, 보드 게임 및 축구를 즐깁니다.

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