Come funziona l'importante memoria cache dei computer

Accade spesso di trovarsi davanti a tecnologie o elementi che, pur facendo parte delle nostre vite quotidiane, non conosciamo. Questo discorso vale specialmente per l’informatica, anche se il miglior modo per ottimizzare il lavoro di un computer è conoscere ogni sua parte. Oggi, in questo articolo, voglio parlarti della memoria cache, importante elemento che viene spesso non citato o conosciuto.

Nei frizzanti anni ’80, l’evoluzione tecnologica portò il microprocessore a diventare sempre più veloce. Il tempo necessario per accedere alla memoria, essenziale per l’esecuzione dei vari processi, rimaneva comunque una porzione di tempo eccessivamente estesa. Proprio per sviare questo problema, è nata la cache memory. Capisci, ora, perché è così importante per tutti i nostri computer?

I tipi di memoria

Per comprendere meglio questo discorso, dobbiamo inizialmente dire che il computer ha ben 3 memorie principali. Eviteremo, per non rendere il discorso troppo complesso e dispersivo, di citare le memorie secondarie e tutti i vari supporti disponibili.

• ROM: quella che permette di immagazzinare una quantità, anche abbastanza ampia, di dati. Essa è la memoria principale e continua a conservare le informazioni anche quando non vi è nessun collegamento elettrico. Ha un costo relativamente basso.

• RAM: questa memoria ha una capacità senz'altro più limitata e un costo più alto rispetto alla ROM. Assicura una velocità maggiore ed è il luogo in cui hanno sede tutte le operazioni. È anche detta “volatile”, in quanto non conserva dati se l’utente dovesse decidere di scollegare il computer dalla presa elettrica.

• Cache: è quella più veloce e, proprio per questo, più costosa. Tecnicamente parlando, è una memoria associativa integrata all'interno del processore. Viene usualmente utilizzata per immagazzinare solo i dati e le istruzioni più importanti, in modo da migliorare le prestazioni della CPU.

Quando avviamo un qualsiasi programma, il computer analizza il codice del software e carica le informazioni nella RAM. Essi passano, solo successivamente alla CPU, che, avendo bisogno di una memoria rapida, si appoggia alla memoria cache.

Cos'è la cache

La cache è una memoria veloce. Questa tipologia assicura una certa velocità per quanto riguarda l’accesso e la scrittura. Essa contiene un pool molto minuto che riesce a conservare, per una quantità di tempo limitata, le informazioni che potrebbero servire alla CPU per permettere a una determinata attività di essere eseguita.

Il computer deve decifrare questi codici analizzando alcuni algoritmi, spesso complessi. Per ordinare tutte queste informazioni, il computer ha bisogno di una memoria che permetta di prelevare e salvare dati velocemente. Questo è il ruolo della minuta cache. Anche il tuo computer è provvisto di questa memoria, anche se il software non la rileva. Il termine, non a caso, deriva da una parola francese traducibile con “nascosta”. Nei computer multiprocessori, con memoria condivisa, permette di limitare notevolmente il traffico della memoria principale e del bus di sistema. Il bus è un canale di comunicazione che permette a tutti i componenti di un computer, nonché alle periferiche, di interfacciarsi tra di loro.

Livelli di cache

L1, L2 e L3 sono i livelli di cache presenti nella CPU, ovvero nell'unità di elaborazione centrale. Alcune società, proprio durante questi mesi, stanno lavorando a un livello chiamato L4. Scopriamo subito le loro differenze:

• L1 è quella più veloce e può contenere circa 256 KB di dati. Questo livello è composto da una cache di istruzioni e una di dati. La prima contiene le istruzioni che la CPU dovrebbe eseguire successivamente. Solitamente, in questo livello vengono conservati i dati più utilizzati.
• L2 è il secondo livello. Esso contiene un massimo di 8 MB ed è più lento rispetto al precedente. Al suo interno, vengono salvati i dati che potrebbero servire alla CPU in un secondo momento.
• Il terzo e ultimo livello è L3, con un massimo di 50 MB è il più lento ed è il luogo in cui vengono salvati i dati meno importanti.

Come funziona

I computer di ultima generazione hanno dei transistor CPU di ridotte dimensioni. Questa modifica permette ai tecnici di collocare la memoria cache direttamente sulla scheda. Questa memoria a rapido accesso è quindi collocata a una distanza abbastanza ridotta dalla CPU e la latenza, di conseguenza, è diminuita notevolmente.

Ogni talvolta sul tuo computer viene eseguito un qualsiasi software, i dati passano prima alla RAM e poi alla cache L3. Successivamente, essi passano alla L2 e, infine, alla L1. La CPU cerca i file necessari per eseguire un determinato programma nei vari livelli della cache, dal primo al terzo livello. Nel caso in cui non dovesse trovare nulla di utile in questa memoria, l’Unità di elaborazione centrale inizierà a cercare in altri luoghi. “Hit della cache” è un termine utilizzato quando la CPU riesce e trovare tutte le informazioni utili, evitando un errore.

Il tempo necessario per recuperare una determinata informazione è una variabile fondamentale. La CPU, per ottimizzare i tempi, preferisce sempre partire dal livello L1 della memoria cache perché è quello più veloce. La cosiddetta latenza continua ad aumentare nel caso in cui la CPU dovesse continuare a cercare informazioni in altre memorie o fonti, determinando prestazioni sempre più basse.

Ora è chiaro che la cache, pur essendo un elemento che non vediamo quasi mai, sia un elemento fondamentale del nostro computer. Proprio per questo motivo, è consigliabile soffermare la nostra attenzione su questa tipologia di memoria: più essa è veloce e più le prestazioni di un computer sono migliori.