CPU 캐시는 어떻게 작동하며 L1, L2 및 L3 캐시는 무엇입니까?

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

프로세서의 경우 트랜지스터와 주파수뿐만 아니라 캐시도 중요합니다.

CPU(Central Processing Unit)에 대해 이야기할 때 캐시 메모리에 대해 들어보셨을 것입니다. 그러나 우리는 이러한 CPU 캐시 메모리 번호에 충분히 주의를 기울이지 않으며 CPU 광고의 주요 하이라이트도 아닙니다.

그렇다면 CPU 캐시는 정확히 얼마나 중요하고 어떻게 작동할까요?

CPU 캐시 메모리란?

간단히 말해서 CPU 메모리 캐시는 정말 빠른 유형의 메모리입니다. 컴퓨팅 초기에는 프로세서 속도와 메모리 속도가 느렸습니다. 그러나 1980년대에 프로세서 속도가 급격히 증가하기 시작했습니다. 당시의 시스템 메모리(RAM)는 증가하는 CPU 속도를 감당하거나 맞출 수 없었기 때문에 새로운 유형의 초고속 메모리인 CPU 캐시 메모리가 탄생했습니다.

이제 컴퓨터 내부에는 여러 유형의 메모리가 있습니다.

하드 디스크 또는 SSD와 같은 기본 스토리지는 운영 체제 및 프로그램과 같은 대량의 데이터를 저장합니다.

다음으로 일반적으로 RAM으로 알려진 “랜덤 액세스 메모리”가 있습니다. 이것은 기본 저장소보다 훨씬 빠르지만 단기 저장 매체일 뿐입니다. 컴퓨터와 해당 프로그램은 RAM을 사용하여 자주 액세스하는 데이터를 저장하므로 컴퓨터에서 작업을 훌륭하고 빠르게 유지할 수 있습니다.

마지막으로 CPU에는 CPU 메모리 캐시로 알려진 훨씬 더 빠른 메모리 장치가 있습니다.

컴퓨터 메모리에는 작동 속도에 따른 계층 구조가 있습니다. CPU 캐시는 이 계층 구조의 맨 위에 있으며 가장 빠릅니다. 또한 CPU 자체의 일부이므로 중앙 처리가 발생하는 위치에 가장 가깝습니다. Tech Target 에 따르면 “캐시 메모리는 RAM보다 10~100배 더 빠르게 작동하므로 CPU 요청에 응답하는 데 몇 나노초만 필요합니다.”

컴퓨터 메모리도 다른 유형으로 제공됩니다.

캐시 메모리는 정적 RAM(SRAM)의 한 형태인 반면 일반 시스템 RAM은 동적 RAM(DRAM)으로 알려져 있습니다. 정적 RAM은 SRAM을 캐시 메모리에 이상적으로 만드는 DRAM과 달리 지속적으로 새로 고칠 필요 없이 데이터를 보유할 수 있습니다.

CPU 캐시는 어떻게 작동합니까?

컴퓨터의 프로그램과 앱은 CPU가 해석하고 실행하는 일련의 명령으로 설계되었습니다. 프로그램을 실행하면 명령이 기본 저장소(하드 드라이브)에서 CPU로 전달됩니다. 여기에서 메모리 계층 구조가 작동합니다.

데이터는 먼저 RAM에 로드된 다음 CPU로 전송됩니다. CPU는 초당 엄청난 수의 명령을 수행할 수 있습니다. 그 힘을 최대한 활용하기 위해 CPU는 CPU 캐시가 들어오는 초고속 메모리에 액세스해야 합니다.

메모리 컨트롤러는 RAM에서 데이터를 가져와 CPU 캐시로 보냅니다. CPU에 따라 컨트롤러는 CPU 또는 마더보드의 Northbridge 칩셋에서 찾을 수 있습니다.

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

CPU 캐시 메모리의 수준: L1, L2 및 L3

CPU 캐시 메모리는 L1, L2 및 L3의 세 가지 “레벨”로 나뉩니다. 메모리 계층 구조는 다시 속도와 캐시 크기에 따라 결정됩니다.

그렇다면 CPU 캐시 크기가 성능에 영향을 미칩니까?

L1 캐시

L1(레벨 1) 캐시는 컴퓨터 시스템에 존재하는 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 제공하지만 비용이 많이 들고 여전히 그 사이에 거의 없습니다. Intel의 Xeon 범위와 같은 일부 서버 칩셋에는 1-2MB L1 메모리 캐시도 있습니다.

“표준” L1 캐시 크기가 없으므로 구입하기 전에 CPU 사양을 확인하여 정확한 L1 메모리 캐시 크기를 결정해야 합니다.

L1 캐시는 일반적으로 명령 캐시와 데이터 캐시의 두 부분으로 나뉩니다. 명령 캐시는 CPU가 수행해야 하는 작업에 대한 정보를 처리하는 반면 데이터 캐시는 작업을 수행할 데이터를 보유합니다.

L2 캐시

L2(레벨 2) 캐시는 L1 캐시보다 느리지만 크기는 더 큽니다. L1 캐시가 킬로바이트로 측정되는 경우 최신 L2 메모리 캐시는 메가바이트로 측정됩니다. 예를 들어, AMD의 높은 평가를 받은 Ryzen 5 5600X에는 384KB L1 캐시와 3MB L2 캐시(32MB L3 캐시 추가)가 있습니다.

L2 캐시 크기는 CPU에 따라 다르지만 일반적으로 256KB에서 32MB 사이입니다. 대부분의 최신 CPU는 256KB L2 캐시 이상을 압축하며 이 크기는 이제 작은 것으로 간주됩니다. 또한 가장 강력한 최신 CPU 중 일부는 8MB를 훨씬 넘는 더 큰 L2 메모리 캐시를 가지고 있습니다. 예를 들어,

속도면에서 L2 캐시는 L1 캐시보다 뒤떨어지지만 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. 아주 오래 전, 대부분의 CPU가 단일 코어 프로세서에 불과했던 시절이었습니다. 이제 CPU의 L3 캐시는 최대 32MB의 L3 캐시를 특징으로 하는 최고급 소비자 CPU와 AMD의 혁신적인 Ryzen 7 5800X3D CPU가 96MB L3 캐시와 함께 제공되므로 방대할 수 있습니다. 일부 서버 CPU L3 캐시는 이를 초과하여 최대 128MB까지 가능합니다.

L3 캐시는 가장 크지만 가장 느린 캐시 메모리 장치입니다. 최신 CPU에는 CPU 자체에 L3 캐시가 포함되어 있습니다. 그러나 L1 및 L2 캐시는 칩 자체의 각 코어에 대해 존재하지만 L3 캐시는 전체 칩이 사용할 수 있는 일반 메모리 풀에 더 가깝습니다.

다음 이미지는 2012년에 출시된 Intel Core i5-3570K CPU와 8년 후인 2020년에 출시된 AMD Ryzen 5800X CPU의 CPU 메모리 캐시 수준을 보여줍니다. CPU 캐시 데이터는 두 번째 이미지의 오른쪽 하단에 있습니다.

두 CPU 모두에서 L1 캐시가 2개로 분할되고 L2와 L3가 각각 더 큰 점에 유의하십시오. 그러나 AMD Ryzen 5800X에서 L3 캐시는 Intel i5-3570K보다 5배 이상 큽니다.

얼마나 많은 CPU 캐시 메모리가 필요합니까?

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

캐시 메모리 설계는 특히 메모리가 저렴해지고 빨라지고 밀도가 높아짐에 따라 항상 진화하고 있습니다. 예를 들어, AMD의 가장 최근 혁신 중 하나는 Smart Access Memory와 Infinity Cache로, 둘 다 성능을 향상시킵니다.

데이터는 CPU 메모리 캐시 간에 어떻게 이동합니까?

중요한 질문: CPU 캐시 메모리는 어떻게 작동합니까?

가장 기본적인 용어로 데이터는 RAM에서 L3 캐시, L2, 마지막으로 L1으로 흐릅니다. 프로세서가 작업을 수행하기 위해 데이터를 찾을 때 먼저 L1 캐시에서 데이터를 찾으려고 시도합니다. CPU가 이를 찾으면 해당 조건을 캐시 적중이라고 합니다. 그런 다음 L2에서 찾은 다음 L3에서 찾습니다.

CPU가 메모리 캐시에서 데이터를 찾지 못하면 시스템 메모리(RAM)에서 액세스를 시도합니다. 이런 일이 발생하면 캐시 미스라고 합니다.

이제 아시다시피 캐시는 메인 메모리와 CPU 사이의 정보 교환 속도를 높이도록 설계되었습니다. 메모리에서 데이터에 액세스하는 데 필요한 시간을 “대기 시간”이라고 합니다.

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

컴퓨터가 더 빠르고 효율적으로 발전함에 따라 대기 시간은 계속 감소합니다. 대기 시간이 짧은 DDR4 및 DDR5 RAM과 초고속 SSD는 대기 시간을 줄여 전체 시스템을 그 어느 때보다 빠르게 만듭니다. 그 점에서 시스템 메모리의 속도도 중요합니다.

CPU 캐시 속도 설명

CPU 캐시 크기와 속도는 컴퓨터의 전반적인 작동에 중요합니다. 컴퓨터 하드웨어와 관련된 대부분의 문제와 마찬가지로 많을수록 좋고 빠른 것이 항상 현명한 선택입니다.

그러나 새 CPU를 구입할 때 CPU 캐시가 궁극적인 결정 옵션이 되도록 해서는 안 됩니다. 물론 많을수록 빠를수록 좋지만 코어 수, CPU 클럭 속도 등과 같은 다른 중요한 CPU 성능 요소도 고려해야 합니다.