Bộ xử lý máy tính đã tiến bộ khá nhiều trong những năm gần đây. Các bóng bán dẫn trở nên nhỏ hơn mỗi năm và những tiến bộ đang đạt đến điểm mà Định luật Moore trở nên dư thừa.
Khi nói đến bộ xử lý, không chỉ các bóng bán dẫn và tần số được tính đến mà còn cả bộ đệm.
Bạn có thể đã nghe nói về bộ nhớ cache khi thảo luận về CPU (Bộ xử lý trung tâm). Tuy nhiên, chúng tôi không chú ý đầy đủ đến các số bộ nhớ cache của CPU này, chúng cũng không phải là điểm nổi bật chính của quảng cáo CPU.
Vì vậy, chính xác tầm quan trọng của bộ đệm CPU và nó hoạt động như thế nào?
Bộ nhớ đệm CPU là gì?
Nói một cách đơn giản, bộ nhớ cache của CPU chỉ là một loại bộ nhớ thực sự nhanh. Trong những ngày đầu của máy tính, tốc độ bộ xử lý và tốc độ bộ nhớ thấp. Tuy nhiên, trong những năm 1980, tốc độ của bộ xử lý bắt đầu tăng lên—một cách nhanh chóng. Bộ nhớ hệ thống vào thời điểm đó (RAM) không thể đối phó hoặc phù hợp với tốc độ CPU ngày càng tăng, do đó, một loại bộ nhớ cực nhanh mới đã ra đời: bộ nhớ đệm CPU.
Bây giờ, máy tính của bạn có nhiều loại bộ nhớ bên trong nó.
Bộ lưu trữ chính, chẳng hạn như đĩa cứng hoặc SSD, lưu trữ phần lớn dữ liệu—hệ điều hành và các chương trình.
Tiếp theo, chúng ta có “bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên”, thường được gọi là RAM. Điều này nhanh hơn nhiều so với lưu trữ chính nhưng chỉ là phương tiện lưu trữ ngắn hạn. Máy tính của bạn và các chương trình của nó sử dụng RAM để lưu trữ dữ liệu được truy cập thường xuyên, giúp duy trì các thao tác trên máy tính của bạn nhanh chóng và dễ dàng.
Cuối cùng, CPU thậm chí còn có các đơn vị bộ nhớ nhanh hơn bên trong chính nó, được gọi là bộ nhớ cache của CPU.
Bộ nhớ máy tính có hệ thống phân cấp dựa trên tốc độ hoạt động của nó. Bộ đệm CPU đứng ở đầu hệ thống phân cấp này, là bộ đệm nhanh nhất. Nó cũng là nơi gần nhất với nơi diễn ra quá trình xử lý trung tâm, là một phần của chính CPU. Theo Tech Target, “Bộ nhớ cache hoạt động nhanh hơn RAM từ 10 đến 100 lần, chỉ cần vài nano giây để đáp ứng yêu cầu của CPU.”
Bộ nhớ máy tính cũng có nhiều loại khác nhau.
Bộ nhớ cache là một dạng RAM tĩnh (SRAM), trong khi RAM hệ thống thông thường của bạn được gọi là RAM động (DRAM). RAM tĩnh có thể chứa dữ liệu mà không cần phải làm mới liên tục, không giống như DRAM, điều này làm cho SRAM trở nên lý tưởng cho bộ nhớ cache.
Bộ đệm CPU hoạt động như thế nào?
Các chương trình và ứng dụng trên máy tính của bạn được thiết kế dưới dạng một tập hợp các hướng dẫn mà CPU diễn giải và chạy. Khi bạn chạy một chương trình, các hướng dẫn sẽ đi từ bộ lưu trữ chính (ổ cứng của bạn) đến CPU. Đây là nơi hệ thống phân cấp bộ nhớ phát huy tác dụng.
Dữ liệu đầu tiên được tải lên RAM và sau đó được gửi đến CPU. CPU có khả năng thực hiện một số lượng lớn các hướng dẫn mỗi giây. Để tận dụng hết sức mạnh của nó, CPU cần truy cập vào bộ nhớ siêu nhanh, đó là nơi mà bộ nhớ cache của CPU xuất hiện.
Bộ điều khiển bộ nhớ lấy dữ liệu từ RAM và gửi nó đến bộ đệm của CPU. Tùy thuộc vào CPU của bạn, bộ điều khiển được tìm thấy trên CPU hoặc chipset cầu bắc trên bo mạch chủ của bạn.
Bộ nhớ cache sau đó thực hiện qua lại dữ liệu trong CPU. Hệ thống phân cấp bộ nhớ cũng tồn tại trong bộ đệm CPU.
Các cấp độ của bộ nhớ đệm CPU: L1, L2 và L3
Bộ nhớ cache của CPU được chia thành ba “cấp độ”: L1, L2 và L3. Hệ thống phân cấp bộ nhớ một lần nữa theo tốc độ và do đó, kích thước bộ đệm.
Vì vậy, kích thước bộ đệm CPU có tạo ra sự khác biệt đối với hiệu suất không?
Bộ đệm L1
Bộ đệm L1 (Cấp 1) là bộ nhớ nhanh nhất có trong hệ thống máy tính. Xét về mức độ ưu tiên truy cập, bộ đệm L1 chứa dữ liệu mà CPU có nhiều khả năng cần nhất trong khi hoàn thành một tác vụ nhất định.
Kích thước của bộ đệm L1 phụ thuộc vào CPU. Một số CPU tiêu dùng cao cấp nhất hiện có bộ đệm L1 1 MB, chẳng hạn như Intel i9-9980XE, nhưng những CPU này tiêu tốn một số tiền rất lớn và vẫn còn rất ít. Một số chipset máy chủ, như dòng Xeon của Intel, cũng có bộ nhớ cache L1 1-2 MB.
Không có kích thước bộ đệm L1 “tiêu chuẩn”, vì vậy bạn phải kiểm tra thông số kỹ thuật của CPU để xác định chính xác kích thước bộ nhớ đệm L1 trước khi mua.
Bộ đệm L1 thường được chia thành hai phần: bộ đệm hướng dẫn và bộ đệm dữ liệu. Bộ đệm hướng dẫn xử lý thông tin về hoạt động mà CPU phải thực hiện, trong khi bộ đệm dữ liệu chứa dữ liệu mà hoạt động sẽ được thực hiện.
Bộ đệm L2
Bộ đệm L2 (Cấp 2) chậm hơn bộ đệm L1 nhưng kích thước lớn hơn. Trong trường hợp bộ đệm L1 có thể đo bằng kilobyte, bộ nhớ đệm L2 hiện đại đo bằng megabyte. Ví dụ: Ryzen 5 5600X được đánh giá cao của AMD có bộ đệm L1 384KB và bộ đệm L2 3 MB (cộng với bộ đệm L3 32 MB).
Kích thước bộ đệm L2 khác nhau tùy thuộc vào CPU, nhưng kích thước của nó thường nằm trong khoảng từ 256KB đến 32MB. Hầu hết các CPU hiện đại sẽ đóng gói nhiều hơn bộ đệm L2 256KB và kích thước này hiện được coi là nhỏ. Hơn nữa, một số CPU hiện đại mạnh mẽ nhất có bộ nhớ cache L2 lớn hơn, vượt quá 8MB. Ví dụ,
Khi nói đến tốc độ, bộ đệm L2 chậm hơn bộ đệm L1 nhưng vẫn nhanh hơn nhiều so với RAM hệ thống của bạn. Bộ nhớ cache L1 thường nhanh hơn 100 lần so với RAM của bạn, trong khi bộ nhớ đệm L2 nhanh hơn khoảng 25 lần.
Bộ đệm L3
Lên bộ đệm L3 (Cấp 3). Trong những ngày đầu, bộ nhớ cache L3 thực sự được tìm thấy trên bo mạch chủ. Điều này đã xảy ra cách đây rất lâu, khi hầu hết các CPU chỉ là bộ xử lý lõi đơn. Giờ đây, bộ nhớ đệm L3 trong CPU của bạn có thể rất lớn, với các CPU tiêu dùng cao cấp nhất có bộ nhớ đệm L3 lên tới 32MB, trong khi CPU Ryzen 7 5800X3D mang tính cách mạng của AMD đi kèm với bộ đệm L3 96MB. Một số bộ đệm L3 của CPU máy chủ có thể vượt quá mức này, có dung lượng lên tới 128 MB.
Bộ đệm L3 là đơn vị bộ nhớ đệm lớn nhất nhưng cũng chậm nhất. Các CPU hiện đại bao gồm bộ đệm L3 trên chính CPU. Nhưng trong khi bộ đệm L1 và L2 tồn tại cho từng lõi trên chính chip, thì bộ đệm L3 gần giống với nhóm bộ nhớ chung mà toàn bộ chip có thể sử dụng.
Các hình ảnh sau đây cho thấy mức bộ nhớ cache của CPU dành cho CPU Intel Core i5-3570K ra mắt vào năm 2012 và CPU AMD Ryzen 5800X, ra mắt sau đó 8 năm, vào năm 2020. Dữ liệu bộ nhớ cache của CPU nằm ở góc dưới cùng bên phải của hình ảnh thứ hai.
Lưu ý cách bộ đệm L1 được chia thành hai, trong khi L2 và L3 tương ứng lớn hơn trên cả hai CPU? Tuy nhiên, trên AMD Ryzen 5800X, bộ đệm L3 lớn hơn gấp 5 lần so với Intel i5-3570K.
Tôi cần bao nhiêu bộ nhớ đệm CPU?
Đó là một câu hỏi hay. Nhiều hơn là tốt hơn, như bạn có thể mong đợi. Các CPU mới nhất đương nhiên sẽ bao gồm nhiều bộ nhớ cache CPU hơn các thế hệ cũ hơn, với khả năng bộ nhớ cache cũng nhanh hơn. Một điều bạn có thể làm là học cách so sánh CPU hiệu quả. Có rất nhiều thông tin ngoài kia và việc học cách so sánh và đối chiếu các CPU khác nhau có thể giúp bạn đưa ra quyết định mua đúng đắn.
Thiết kế bộ nhớ cache luôn phát triển, đặc biệt là khi bộ nhớ ngày càng rẻ hơn, nhanh hơn và dày đặc hơn. Ví dụ: một trong những cải tiến gần đây nhất của AMD là Bộ nhớ truy cập thông minh và Bộ nhớ cache vô cực, cả hai đều giúp tăng hiệu suất.
Dữ liệu di chuyển giữa các bộ nhớ cache của CPU như thế nào?
Câu hỏi lớn: bộ nhớ cache của CPU hoạt động như thế nào?
Theo thuật ngữ cơ bản nhất, dữ liệu truyền từ RAM đến bộ đệm L3, sau đó là L2 và cuối cùng là L1. Khi bộ xử lý đang tìm kiếm dữ liệu để thực hiện một thao tác, trước tiên, nó sẽ cố gắng tìm dữ liệu đó trong bộ đệm L1. Nếu CPU tìm thấy nó, tình trạng này được gọi là lỗi bộ đệm. Sau đó, nó tiếp tục tìm nó trong L2 và sau đó là L3.
Nếu CPU không tìm thấy dữ liệu trong bất kỳ bộ nhớ đệm nào, thì nó sẽ cố gắng truy cập dữ liệu đó từ bộ nhớ hệ thống (RAM) của bạn. Khi điều đó xảy ra, nó được gọi là lỗi bộ đệm.
Bây giờ, như chúng ta đã biết, bộ đệm được thiết kế để tăng tốc độ truyền thông tin qua lại giữa bộ nhớ chính và CPU. Thời gian cần thiết để truy cập dữ liệu từ bộ nhớ được gọi là “độ trễ”.
Bộ nhớ cache L1 có độ trễ thấp nhất, nhanh nhất và gần với lõi nhất và L3 có độ trễ cao nhất. Độ trễ của bộ nhớ cache tăng lên khi có lỗi bộ nhớ cache vì CPU phải truy xuất dữ liệu từ bộ nhớ hệ thống.
Độ trễ tiếp tục giảm khi máy tính trở nên nhanh hơn và hiệu quả hơn. RAM DDR4 và DDR5 có độ trễ thấp và SSD siêu nhanh giảm thiểu độ trễ, giúp toàn bộ hệ thống của bạn nhanh hơn bao giờ hết. Trong đó, tốc độ bộ nhớ hệ thống của bạn cũng rất quan trọng.
Giải thích về tốc độ bộ nhớ cache của CPU
Kích thước và tốc độ bộ nhớ cache của CPU rất quan trọng đối với hoạt động chung của máy tính của bạn. Như với hầu hết các vấn đề liên quan đến phần cứng máy tính, càng nhiều càng tốt và nhanh hơn luôn là lựa chọn thông minh.
Tuy nhiên, bạn không nên để bộ nhớ cache của CPU trở thành lựa chọn quyết định cuối cùng khi mua CPU mới. Chắc chắn, nhiều hơn và nhanh hơn sẽ tốt hơn, nhưng bạn cũng cần xem xét các yếu tố hiệu suất CPU quan trọng khác như số lượng lõi, tốc độ xung nhịp của CPU, v.v.
