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Memoria caché: qué es y qué diferencias hay entre los tipos L1, L2 y L3

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Hace algunos meses publicamos un artículo dedicado a repasar a fondo los elementos más importantes que dan vida a un procesador. Entre ellos se encuentra la memoria caché, un componente que ha vivido una importante evolución durante las últimas décadas pero que todavía hoy sigue siendo un gran desconocido.

Sabemos que muchos de nuestros lectores tienen claro el papel que juegan en un procesador los núcleos, el IPC y el proceso de fabricación, pero la memoria caché sigue generando algunas dudas, y por ello hemos decidido hacer este artículo especial, en el que os vamos a contar todo lo que debéis saber sobre la memoria caché en general, y también sobre todos los tipos que existen.

Actualmente podemos diferenciar la memoria caché en L1, L2 y L3, nomenclaturas con las que se identifican los distintos niveles en los que se encuadran. También se utiliza, aunque con poca frecuencia, un tipo de memoria caché conocida como L4, sobre todo en procesadores que vienen con GPUs integradas.

Sobre todo esto vamos a profundizar en las siguientes líneas, así que poneos cómodos, que hay muchas cosas interesantes que leer. Como siempre os invitamos a que nos dejéis cualquier duda en los comentarios.

Memoria caché: ¿qué es y cómo funciona?

Imagen de un procesador Haswell-E de ocho núcleos. Como vemos todos tienen acceso a la caché L3.

La memoria caché es, como su propio nombre indica, un tipo de memoria específica. En un ordenador existen diferentes tipos de memoria que se agrupan en dos grandes variantes: la memoria volátil y la memoria no volátil, siendo la primera aquella que pierde los datos cuando apagamos el equipo (memoria RAM, por ejemplo) y la segunda aquella que los mantiene (un disco duro o un SSD, por ejemplo).

Pues bien, la memoria caché es un tipo de memoria específica que está preparada para servir de apoyo al procesador, y que es capaz de trabajar a velocidades muy elevadas. Esta memoria se divide en diferentes niveles como dijimos, pero su función base es la misma: apoyar a la CPU para mejorar su rendimiento.

Para ello actúa como un sistema de almacenamiento de instrucciones y de datos capaz de comunicarse con el procesador a gran velocidad. Normalmente en la memoria caché se almacenan datos e instrucciones que el procesador va a necesitar para completar diferentes tareas a corto plazo. Con ello se evitan dos cosas muy importantes que podrían reducir el rendimiento:

  1. Que el procesador tenga que volver a completar ciclos de trabajo para conseguir los datos o instrucciones que necesita.
  2. Que tenga que acceder a la memoria RAM (más lenta que la caché) para obtener dichos datos o instrucciones.

La velocidad de la memoria caché importa, y mucho, pero también la capacidad de la misma, aunque sobre este tema hablaremos en el siguiente punto. Es importante recordar que en las generaciones más antiguas de procesadores la memoria caché L2 y L3 estuvo integrada durante mucho tiempo en la placa base, y no en el encapsulado del procesador. Esto suponía que la información tenía que recorrer una distancia importante en cada acceso lo que acababa teniendo un impacto considerable en el rendimiento.

Actualmente todos los tipos de memoria caché se encuentran integrados en el encapsulado del procesador, con la única excepción de la L4 que, por cuestiones de tamaño y de espacio, suele ir en un encapsulado propio ubicado justo a continuación del encapsulado principal. Esto tiene consecuencias importantes, como veremos a continuación.

Memoria caché: tipos y jerarquía

Imagen de un procesador Intel Nehalem. Como vemos los cuatro núcleos tienen acceso a la caché L3. Los círculos grandes identifican la caché L2, y los pequeños la caché L1.

Ya hemos visto qué es y qué trabajo realiza la memoria caché. En general es un apoyo importante para el procesador que, como dijimos, se divide en un total de tres niveles generales al que podemos sumar un cuarto que no resulta nada común y que juega un papel particular, como vamos a explicar más adelante.

La diferenciación entre memoria caché L1, L2 y L3 obedece a un orden de jerarquía establecido por cercanía al procesador, velocidad y capacidad. Utilizaremos dos ejemplos extremos para que veáis las grandes diferencias que pueden haber en términos de cantidad en función de cada CPU, aunque la función de la memoria caché será la misma en todos los casos.

  • Caché L1: es el nivel más básico, la más cercana al procesador y la más rápida. También es la que menos capacidad tiene, por ejemplo un procesador de dos núcleos como el Pentium G4560 tiene 64 KB en total (32 KB por núcleo), aunque los modelos más potentes (serie Xeon y Epyc) pueden alcanzar los 3 MB sin problema.
  • Caché L2: es un nivel intermedio que presenta un buen equilibrio entre capacidad, cercanía y velocidad. Siguiendo el ejemplo anterior el Pentium G4560 tiene 512 KB (256 KB por núcleo) de caché L2, pero un Threadripper 2990WX llega a los 16 MB en total (512 KB por núcleo).
  • Caché L3: posiciona en un nivel inferior a la anterior tanto en cercanía como en velocidad, pero tiene una capacidad mucho mayor. El Penitum G4560 tiene 3 MB de caché L3 compartida en sus dos núcleos, mientras que el Threadripper 2990WX viene con un total de 64 MB (16 MB compartidos por cada bloque de ocho núcleos).
  • Caché L4: es un tipo de memoria caché poco habitual que se utiliza normalmente como apoyo para mejorar el rendimiento de GPUs integradas. Por ejemplo, el Core i5 5775C venía con 6 MB de caché L3 y 128 MB de eDRAM como caché L4, que se utilizaba como buffer para la gráfica Intel Iris Pro 6200 que integraba. Así se mejoraba el ancho de banda y se reducía el impacto de tener que recurrir a la RAM como memoria gráfica.

Cuando un procesador busca instrucciones y datos que necesita primero recurre a la memoria caché L1, si no encuentra nada recurre a la caché L2 y finalmente a la caché L3. En caso de que ninguna de las cachés contenga lo que está buscando no tiene más opción que recurrir a la memoria RAM, y si tampoco está en ella tiene que realizar un ciclo de trabajo completo, con todo lo que ello supone a nivel de rendimiento.

Bien, para acceder a cada nivel de memoria caché es necesario un tiempo determinado, un retraso que se conoce como latencia, y que representa ese retardo que tiene que asumir el sistema hasta que el procesador encuentre lo que necesita para trabajar. La latencia de acceso a la caché L1 es la más baja, y se incrementa de forma considerable en los niveles L2 y L3, hasta tocar techo en el caso de tener que acceder a la memoria RAM.

Esta explicación nos ayuda a entender también la referencia que hemos hecho anteriormente a los diseños que integraban la caché L2 y L3 en la placa base. La distancia entre componentes aumentaba enormemente la latencia y reducía en gran medida el rendimiento, algo que se pudo superar al montar los tres tipos principales de caché en el encapsulado de la CPU.

Notas finales

Imagen de un procesador Ryzen. Como vemos la caché L3 se comparte en bloques de cuatro núcleos.

A día de hoy la caché ha dejado de ser un problema, ya que incluso los procesadores más básicos vienen equipados con memoria caché L3, algo que, sin embargo, no ocurría hace unos años.

No debemos obsesionarnos con este tema, aunque es cierto que el impacto de la memoria caché en el rendimiento general del sistema no tiene porque ser uniforme, ya que depende de otros aspectos como la arquitectura del procesador y su potencia bruta, y también, de forma indirecta, de la velocidad de trabajo y la latencia de la memoria RAM.

Por ejemplo, la arquitectura de núcleo monolítico que usan los procesadores Intel permite trabajar con memorias caché L3 más rápidas que tienen una latencia inferior, mientras que en el caso de los procesadores AMD Ryzen ocurre todo lo contrario, debido a la arquitectura MCM que separa la caché L3 en bloques de núcleos, conocidos como unidades CCX en Zen y Zen+ y chiplets (dos unidades CCX) en Zen 2.

Al contar con una memoria RAM más rápida es posible reducir también el impacto que tiene la ausencia de datos necesarios en la caché, que como vimos obliga al procesador a buscar en la RAM. En futuros diseños a nivel de CPU se ha planteado la posibilidad de integrar memoria caché L4 como apoyo total a la CPU, y también se bajara la integración de memoria RAM mediante el apilado 3D, un tema que tratamos en su momento en este artículo.

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