Totul despre memoria cache

Acu 20 de ani ,procesoarele,fiind bazate pe semiconductorii de memorie,mergeau la aceeasi frecventa cu memoriile
Intre timp ,s-a trecut la EEprom-uri,Edo Ram,SD Ram,DD Ram ,DDR2,DDR3,DDR4,DDR5 si memoria a ramas tot mai in urma procesoarelor ca si viteza
De ce?
Memoria era f scumpa acu 20 de ani,fiind mai valoroasa de 1000 de ori decat greutatea ei in aur
Se fura memorie din banci pt a se vinde
Intre timp,pretul ei a scazut la 1 c/MB,in timp ce pretul memoriei cache a ramas la 20 $/MB,adica de 1000 de ori mai scumpa
De ce?
Pt ca e neeconomic sa produci memorie cu frecvente f mari;4 GB ar costa in jur de 80000 $,asa costa 200$
Dar cum calibrezi viteza procesoarelor cu cea a memoriei?
S-a observat ca un procesor are nevoie doar de memoria pe care o foloseste in momentul in care executa instructiunile(nemaipunand la socoteala si viteza de 10000 de ori mai mica ca a memoriei a memoriei virtuale de pe disc) ,care nu depaseste cativa KB(pt ca instructiunile sunt scurte)
Asa a aparut ideea montarii unei memorii rapide,denumite tampon sau Cache ,direct pe procesor,care sa preia din memoria principala instructiunile si sa le tina pana cand procesorul le executa,apoi sa dea mai departe rezultatul ,pasandu-l inapoi in RAM
Aceasta memorie se numeste Level 1 Cache si e divizata in 2 parti egale:o parte de date si o parte de instructiune;amandoua partile ocupa 32 KB,fiecare,pe un dual-core Intel
AMD-ul ,pe de alta parte,are procesoare "scurte si grase",asa ca a optat pt o memorie Cache de nivel 1 de 2 ori mai mare:128 kb/nucleu
Este nevoie si de o memorie partajata a nucleelor in care sa-ti tina instructiunile pt multitasking preemptiv(care probabil urmeaza a fi executate) asa ca a aparut si memoria cache de nivle 2
La inceput era montata direct pe placa de baza,apoi pe procesor
Dimensiunea ei a variat intre 1 si 4 MB;recent noile procesoare Penryn au 6 MB L2 cache,iar cele Nehalem se pregatesc pt 30 MB
Procesoarele de server,cum ar fi Intel Itanium2 9050 ,la 12 mil, au deja 24 mb L3 cache
Level 3 este folosit doar pt servere pt a tine datele pasate de clientii serverelor
Dar de ce exista diferente intre procesoare si care e impactul memoriei cache asupra performantei>?
Procesoarele cu arhitectura Core au nevoie de 2.2 MB L2 Cache la o frecventa de 2660 Mhz
Deoarece memoria cache e produsa in pastile si litografiata direct pe wafer,nu se poate pune 2.2 Mb,ci numai 2 MB sau 4 MB
Asa ca procesoarele "bune" E6xxx au 4 MB cache ,iar cele "budget" E4xxx ,numai 2 MB cache
Deasemenea si cele E6xxx cu frecventa redusa au tot 2 Mb cache
Dar diferenta de performanta e de doar 5% la aceeasi frecventa de functionare

E important de stiut ca memoria cache necesara variaza direct proportional cu frecventa de functionare
Deci la un overclock de 100% pe un E4xxx ,e nevoie de 4 MB cache
Procesoarele entrylevel E2xxxx sau Celeron 1xxx sufera masiv din cauza lipsei de memorie cache ,performanta fiind redusa cu pana la 30%
Aceasta lipsa poate fi compensata prin overclock de 200 Mhz la 2xxx si 500 Mhz la 1xxx

Trebe sa va dati seama ca vb aici de microsecunde in cazul transferului dintre memoriile cache si nucleu (memoria cache avand rate de transfer de sute sau mii de GB/secunda ) si de milisecunde in cazul transferului dinRAm in Cache
Vorbim de secunde deja cand nu mai avem destul RAM si folosim discul

Este interesant, dar cam incomplet. O sa ma leg strict de acest pasaj de 2 randuri, si o sa il dezvolt putin:
"La inceput era montata direct pe placa de baza,apoi pe procesor
Dimensiunea ei a variat intre 1 si 4 MB;recent noile procesoare Penryn au 6 MB L2 cache,iar cele Nehalem se pregatesc pt 30 MB"

Platformele cu procesoare 286, 386, 486 si Pentium au avut memorie cache pe placa de baza, iar dimensiunile erau sarace. Putem vorbi de 64KB sau 128KB la placile pentru 286/386, 128KB sau 256KB la placile pentru 486 si 0KB, 256KB sau 512KB la placile de baza Pentium. Existau placi de baza mai ieftine la care trebuia sa iti cumperi cache (nu aveau de loc memorie cache sau aveau o parte de cache instalata, dar existau socluri pentru a mari capcitatea acesteia).
Placile de baza Pentium aveau 256KB sau 512KB cache, iar la un moment dat chiar s-a renuntat in a se mai lipi cache-ul pe placa de baza. Pentru Pentium la inceput se foloseau memorii FP-RAM apoi au aparut memoriile EDO-RAM, memorii mai rapide la scriere decat FP-RAM. In momentul in care abia au aparut configuratiile cu EDO-RAM, constructorii au renuntat de tot la cache-ul de pe placa de baza (au spus ca memoria fiind mai rapida la citire, nu este nevoie de cache, reducand costurile; totusi au lasat niste socluri speciale pentru upgrade la memoria cache). Se cumparau separat placute cu cache.
Pana la urma s-a renuntat la aceste upgrade-uri de cache, memoria fiind direct lipta pe placa de baza. Deja vorbim de socket 7 si configuratii cu 512KB sau 1MB cache.
Memoriile cache L2 de pe placile de baza functionau la frecventa bus-ului (25MHz, 33MHz, 40MHz, 50MHz, 66MHz sau 75MHz si 83MHz - frecvente pentru placile de baza Intel overclockate).
Apar procesoarele Pentium-Pro. Pentru prima data Intel a intergrat memoria cache L2 in procesor. Dar pentru ca erau foarte scumpe, urmasul a aparut in alta forma, Pentium-II fiind pe slot. Procesorul era lipit pe o placuta pe care se gaseau si memoriile cache L2. La Pentium-II memoria cache L2 nu functiona la viteza procesorului, ci la o viteza de doua ori mica decat cea a procesorului. Placile de baza nu aveau un socket si memorie cache, ci un slot unde se monta aceasta placa. Practic la Pentium-II memoria cache L2 venea la pachet cu procesorul, ea nefiind intergrata in placa de baza, dar nici in procesor, ci in pachet cu procesorul.
Mai tarziu au aparut Pentium III, Pentium 4 si Core 2 Duo, toate avand memoria cache L2 in procesor si functionand la aceeasi viteza cu acesta.

Edited by Dic1, 23 March 2008 - 19:54.

O sa completez putin si pentru procesoarele AMD. Procesoarele 286, 386, 486, K5 si K6 de la AMD functionau pe aceleasi placi de baza cu cele Intel. La toate aceste procesoare, memoria cache se gasea pe placa de baza. O data cu Pentium-II de la Intel care foloseste o impachetare diferita (pe aceeasi placuta erau lipte procesorul si cache L2, iar placuta asta se se monta intr-un slot pe placa de baza), AMD a fost nevoit sa isi dezvolte singur platforma. La inceput a imbunatatit platforma slocket 7 (cea pentru Pentium), ulterior a trecut si AMD la slot, iar apoi la socket. Procesorarele pe slot aveau memoria cache L2 lipta alaturi, iar memoria functiona tot la jumatate din frecventa procesorului. Abia procesoarele pe socket A au intergrata memoria cache L2 in procesor.
De asemenea, procesoarele mai noi (Athlon64 pe toate socke-turile) au memoria cache L2 integrata in procesor.
La procesoarele Athlon64 (sau Sempron de pe sk.754 si AM2) controllerul de memorie este integrat direct in procesor, spre deosebire de Intel unde controllerul de memorie este in chipsetul placii de baza. Astfel ca accesul la RAM este mai rapid (sunt latente mai mici) iar viteza de transfer este mai mare la AMD decat la Intel. Din aceasta cauza la procesesoarele Intel conteaza foarte mult cantitatea de cache L2 (ca sa mai reduca din latentele cu RAM-ul sistemului generate de controllerul de pe placa de baza), in timp ce la AMD nu prea conteaza asa de tare capacitatea cache L2. Astfel ca daca la Intel, pentru a obtine aceeasi viteza, un Core 2 Duo cu cache L2 mai putin trebuie sa aibe cu 200-500MHz mai mult decat un Core 2 Duo cu cantitate mai mare de cache L2 , la AMD sunt necesari numai 100MHz de la un procesor cu 2x512KB cache la un procesor cu 2x1MB cache.

Lucifer999, on Mar 23 2008, 19:13, said:

Memoria cache (ca si cantitate) variaza direct proportional cu frecventa de functionare?
Poti sa detaliezi, te rog :)) Cum adica, memoria cache NECESARA? Necesara pentru ce?
De memorie cache asociata ai auzit?
Cache L1 reprezinta asocierea a 8-16-32 de cai ('canale') de memorie super-rapida pe un bus de 64 sau 128 biti.
Memoria L2 in niciun caz nu are rate de transfer de 'mii de Gbps", defapt, daca faci un calcul elementar = cantitate cache x latime bus (64/128 biti) o sa observi ca rareori 'sare' de 30-50 GBps (si asta in cazul unui procesor Core cu stagii scurte si latime de banda f.f.f. mare)

Nu am inteles exact pasajul asta cu '...memoria cache necesara..."
:)

Mda, pe vremuri, pentru placi de baza cu Socket 7 si Super Socket 7, se puneau memorii cache de 2-4 mega. Poate mai sunt persoane care isi amintesc de generatia Mvp3 / 4, cu chipseturi Via, Ali si Sis, impreuna cu primele memorii SDRAM.

Si ce se mai chinuiau cei care au cumparat din primele Celeron-A...

Edited by ecotech, 13 May 2008 - 12:27.

ecotech, on May 13 2008, 12:26, said:

Sa nu uitam si procesoarele K6-II + si K6-III de la AMD care aveau cache L2 (126 Kb respectiv 256 Kb) in procesor si la care cache-ul de pe placa de baza se transforma in cache L3  :D si chiar erai smecher ;)

Placa de baza, procesorul, si memoria ram

Procesorul are o frecventa de functionare si un ceas, plus memoria tampon:
de ex  Pentium 4 2000 GHz FSB533 L1 128 L2 256
in cauza acestor memorii tampon e bine ca la procesoare intel sa-ti cumperi ddr 2 (astazi cred ca se vb de ddram3) iar la amd ddr1 ? Alegi proceosrul, si daca stii ca FSB=533 si alegi ddram cu acelasi FSB ?? ; sau alegi un ddram cu un fsb mai mic ? si daca frecventa (peste 2600) atunci fsb e mai mare, memoria tampon e mai mare ?
Cum e cu placa de baza ? Placa tine memori in FSB 533 iar ddramul are FSB 533. Cum e recomandat ? ca placa de baza sa tina memoria in 833, ca sa aiba de unde sa piarda si sa fie eficienta ? Adica placa tine memorile in FSB 833 (un ex) iar memoria e bine sa fie de 533 ? adica mai mica ?
In alegerea duetului placa de baza-procesore se tine cont numai de sochet (slot) ?

de ce se spune ca daca hardul are partitie mare si ddram putin atunci pc merge greu ?

in ce mod influenteaza calitatea functionarii placa video. Cu cati mai multi biti cu atat mai bine. Doar atat ?

Daca are cineva rabdare il rog frumos sa-mi explice si mie cum stau defapt treburile, cat mai pe scut.
si cateva linkuri sunt bune.
odata mi-am cumparat un sempron si merga mai prost ca un duron
multumesc mult

ecotech, on May 13 2008, 12:26, said:

:confused:
Nu am vazut niciodata o placa de baza cu 2-4 MB memorie cache (dar nici nu neg ca nu ar fi existat) :(
Tot ce am avut in mana au fost de 256-512 kb iar prin Chip-uri am citit niste review-uri despre placi cu 1 MB.
Tot acolo am citit ca diferenta de performanta dintre placile cu 512MB si cele de 1MB era asa de mica, ca nici nu se merita pusa atat de multa memorie cache. Pretul placilor Super Socket 7 era oricum destul de piperat.
Explicatia e simpla: procesoarele K6-2 ajunsesera pana la 550 MHz in timp ce aceasta memorie a ramas plafonata la 100MHz.
Ceva mai tarziu, pe vreme lui PIII/Athlon, a fost demonstrat si faptul ca nu cantitatea conteaza ci viteza la care este tactata aceasta memorie.
Un Thunderbird 256KB L2 full speed era superior in performanta unui Orion 512Kb L2 tactat la jumatate din frecventa procesorului.

ecotech, on May 13 2008, 12:26, said:

Cred ca vrei sa spui Celeron, procesor ce nu avea L2 si aruncat pe piata pentru a contracara succesul lui K6-2. Nu a reusit, motiv pentru care a fost inlocuit cu Celeron A, procesor cu 128Kb L2.
Celeron A a fost unul din cele mai laudate procesoare de la Intel. Pret mic, performante peste K6-2 la aceeasi frecventa si...cel mai important...se overclocka in draci. Un Celeron la 350MHz putea fi dus lejer pana la 550MHz in timp ce de la un k6-2 cu greu si foarte mult noroc puteai stoarce un 50MHz.

Edited by Maresalul, 22 July 2008 - 08:33.

Am si eu o intrebare. Nu cumva din cauza drumului din cache in RAM performanta este influentata negativ? Adica nu tot un drac e din moment ce sunt primite tot din ram? De ce sa le mai strecoare prin altceva?

Hai sa-ti explic printr-un exemplu din viata reala.

Tu, procesorul, lucrezi la fabrica de tuns oua. Magazia, adica memoria RAM, ii plina de oua. Patronul, baiat interesat sa-i produci cat mai mult (ca cati mai putini bani la salariu, dar asta e alta mancare de peste  :bigwhitegrin:  ) iti monteaza in preajma niste sertare, ce se deschid mult mai rapid si sunt mult mai apropiate de tine decat sertarele greoaie si indepartate din magazie, cu scopul de a fi umplute de prostalaul necalificat care te aprovizioneaza cu oua netunse.

Daca ai cache, adica sertare, dialogul cu carausul decurge astfel:
- Adu-mi zece oua si depoziteaza-le in compartimentul asta, asta si asta.
- Ok boss, 'traiti!
- Vezi ca in raftul ala e un ou tuns punk din greseala. Scapa-ma de el!
- Ok boss, 'traiti!
- Nu umbla in sertarul acela! Am oua tunse, dar nerase. Le rad mai tarziu, acum am alta prioritate.
- 'traiti, fac plinul la celelalte, nu?
- Baga mare.

Daca NU ai cache, adica sertare, nenea ala de la magazie va sapa santuri aducandu-ti doar cate un ou la un transport iar tu stai si te uiti la el, pierzand timp pretios.


Cam asta e tot.


Cine a prins placile de baza mai vechi (pana in socket super 7) stiu ce impact asupra performantei avea dezactivarea celor 8-16 kb cache de level 1 ai procesorului. Am incercat si eu, din curiozitate, dar am restartat calculatorul pentru ca dupa nici 5 minute inca nu reusise sa incarce tot ce-i trebuia sistemului de operare.

Edited by Sarcastic, 19 December 2011 - 20:59.