L1 önbelleği neden L2 önbelleğinden daha hızlı?

Bazı CPU önbelleklerinin neden diğerlerinden daha hızlı olduğunu anlamaya çalışıyorum. Önbellek ana bellek gibi bir şeyle karşılaştırıldığında, bellek türlerinde (SRAM vs DRAM) ve konum sorunlarında (çipte bir bellek veriyolunu çaprazlamak zorunda kalırken) erişim hızlarını etkileyebilir. Ancak L1 ve L2 genellikle aynı çip üzerinde ya da en azından aynı kalıp üzerinde ve bence aynı tür bellekler. Peki neden L1 daha hızlı?

Hayır, aynı üretim sürecini kullanan aynı çipte olmalarına rağmen aynı tür RAM değiller.

Tüm önbellekler arasında, L1 önbelleğinin, mümkün olan en hızlı erişim süresine (en düşük gecikme süresine) sahip olması ve yeterli bir "isabet" oranı sağlamak için ne kadar kapasiteye sahip olması gerekir. Bu nedenle, daha büyük transistörler ve daha geniş metal paletler kullanılarak üretilir, alan ve hız için işlem yapar. Üst düzey önbelleklerin daha yüksek kapasitelere sahip olması gerekir, ancak daha yavaş olabilirler, bu nedenle daha sıkı paketlenmiş daha küçük transistörler kullanırlar.

L1 genellikle kodu çözülen komutlar için bir depolama alanı olarak kullanılırken, L2 tek bir çekirdek için genel bir önbellektir. Önbellek ne kadar düşükse o kadar küçük boyuttadır ve genellikle daha hızlıdır. PC işlemcileri için kaba bir kural olarak:

L1 Önbellek: 2-3 saat döngü erişimi

L2 Önbellek: ~ 10 saat döngü erişimi

L3 Önbellek: ~ 20-30 saat çevrim erişimi

L1 önbelleğinin tasarımı, önbellek gecikmesini olabildiğince düşük tutarken isabet oranını (istenen talimat adresinin veya veri adresinin önbellekte olma olasılığı) en üst düzeye çıkarmak olmalıdır. Intel, 3 döngü gecikmeli bir L1 önbellek kullanır. L2 önbellek bir veya daha fazla L1 önbellek arasında paylaşılır ve genellikle çok, çok daha büyüktür. L1 önbellek isabet oranını en üst düzeye çıkarmak için tasarlanırken, L2 önbellek, kaçırılan cezayı en aza indirecek şekilde tasarlanmıştır (bir L1 kaçırıldığında meydana gelen gecikme). L3 önbellekleri olan yongalar için amaç yonganın tasarımına özgüdür. Intel için L3 önbellekleri ilk kez 2002 yılında 4 yollu çok işlemcili sistemlerde (Pentium 4 Xeon MP işlemciler) ortaya çıktı. Bu anlamda L3 önbellekleri çok iş parçacıklı ortamlardaki gecikmeleri büyük ölçüde azalttı ve FSB'den yük aldı. Zamanında,

Alıntı burada "Pinhedd's" yanıt kaynaklanmıştır.

Hızın boyutla ters orantılı olmasının birkaç nedeni vardır. Akla ilk gelen, sinyal yayılımının i ışık hızından kaynaklanan bir faktörle sınırlı olduğu iletkenlerin fiziksel hakimiyeti. Bir işlem, bellek döşemesinin ve arkasının en uzun mesafesini katetmek için bir elektrik sinyali alacağı sürece sürebilir. İlgili diğer bir neden, saat alanlarının ayrılmasıdır. Her CPU, kendi saat üretecini çalıştırır, bu da CPU'nun çoklu GHz saatlerinde çalışmasını sağlar. Seviye-1 önbellek, sistemdeki en hızlı CPU saatinde çalışır ve bu saatle senkronize edilir. Seviye-2 önbellek ise birçok CPU'ya hizmet vermek zorundadır ve farklı (daha yavaş) bir saat alanında çalışmaktadır. Sadece L2 saat daha yavaş (daha büyük kutucuk) değil, bir saat etki alanı sınırını aşmak başka bir gecikme ekler. Sonra elbette fan-out sorunları var (daha önce bahsedilen).

Doğal performans özelliklerinin yanı sıra, konumun da bir rolü vardır (L1 CPU'ya daha yakındır). Her programcının bellek hakkında bilmesi gerekenlere göre :

Kalıpta L2 önbellek için erişim süresinin büyük bir kısmının (muhtemelen çoğunluğunun) kablo gecikmelerinden kaynaklandığını belirtmek ilginçtir. Bu, artan önbellek boyutlarıyla daha da kötüleşebilecek fiziksel bir sınırlamadır. Yalnızca işlem daralması (örneğin, Merom için 60nm'den Intel'in serisinde Penryn için 45nm'ye gitmek) bu sayıları artırabilir.