Come la memoria cache processore accelera il PC
Confronta due processori e guarderai core e gigahertz, quasi mai la cache. Eppure è quel numero a decidere quanto tempo la CPU passa ad aspettare la RAM, e quanto veloce ti sembra il PC quando lo usi davvero.
La memoria cache processore è una memoria piccolissima e velocissima che vive dentro la CPU e tiene da parte i dati usati più spesso. Se ti sei chiesto a cosa serve la memoria cache, la risposta è semplice. Serve a evitare che il processore resti fermo ad aspettare la RAM, che al confronto è lentissima. Meno attesa, più lavoro fatto nello stesso tempo.
Cos’è la memoria cache CPU e perché è nata
Il problema che la memoria cache CPU risolve nasce da uno squilibrio che dura da decenni. I processori sono diventati velocissimi, la memoria principale molto meno. Un moderno core può eseguire miliardi di operazioni al secondo, ma quando deve andare a prendere un dato in RAM aspetta anche cento cicli di clock. Cento cicli sono un’eternità per un chip. È il classico collo di bottiglia, e senza una soluzione avresti un processore potentissimo che passa metà del tempo con le mani in mano.
La soluzione è stata mettere una memoria intermedia, costruita con celle SRAM invece che con la DRAM usata per la RAM. La SRAM è molto più rapida ma occupa più spazio sul silicio e costa parecchio di più per ogni bit. Per questo la cache è piccola. Non è una scelta di pigrizia dei progettisti, è economia pura.
Cache L1 L2 L3, i tre livelli spiegati
I livelli sono tre e funzionano come una piramide. Salendo aumenta la velocità, scendendo aumenta la capienza.
La cache L1 è la più vicina al cuore del core, di solito da 32 a 128 KB per core, spesso divisa in due parti, una per le istruzioni e una per i dati. La risposta arriva in pochissimi cicli. La cache L2 è più grande, da qualche centinaio di KB fino a un paio di MB per core, e resta comunque privata del singolo core. La cache L3 è la più capiente, arriva a decine di MB, ed è condivisa tra tutti i core del processore. È anche la più lenta delle tre, il che significa comunque diverse volte più rapida della RAM.
Quando leggi le specifiche di un processore e trovi scritto qualcosa come 36 MB, quasi sempre si riferisce alla L3. È il numero che i produttori mettono in evidenza perché è il più grosso, e va letto sapendo che gli altri due livelli restano invisibili nella scheda tecnica. Altre spiegazioni di hardware in versione comprensibile le trovi tra le nostre guide.
Come funziona la memoria cache processore quando apri un programma
La CPU chiede un dato e parte una catena di controlli. Prima guarda nella L1. Se lo trova, si chiama hit e la faccenda finisce lì in una manciata di nanosecondi. Se non c’è, si chiama miss e la ricerca passa alla L2, poi alla L3, e solo come ultima spiaggia alla RAM.
La parte interessante è che questa catena funziona molto meglio di quanto sembri. Su applicazioni reali la percentuale di hit sta di solito tra il 90 e il 95 per cento, perché i programmi tendono a riusare gli stessi dati e a leggere indirizzi vicini tra loro. I due principi si chiamano località temporale e località spaziale, e sono il motivo per cui la cache non è uno spreco di transistor.
Quando arriva un miss, il processore non copia solo il singolo dato mancante. Preleva un blocco intero di memoria contigua, scommettendo che ti servirà anche il resto. Nove volte su dieci ha ragione.
Memoria cache e memoria RAM, dove sta la differenza
Confondere le due è normale, visto che sono entrambe memorie volatili e si svuotano allo spegnimento. La differenza sta nel ruolo. La memoria RAM è il tavolo di lavoro, dove tieni aperto tutto quello che stai usando, e si misura in gigabyte. La cache è il palmo della mano, dove tieni l’attrezzo che stai usando in questo preciso istante, e si misura in megabyte.
C’è un altro equivoco da chiarire. La cache del processore non si svuota e non si gestisce, la governa l’hardware da solo e nessuna impostazione di Windows la tocca. Quando svuoti la cache del browser o quella delle app stai lavorando su file temporanei su disco, che sono un’altra cosa. Se il tuo obiettivo è rendere il PC più reattivo, conviene guardare altrove, per esempio ai programmi in avvio automatico o alle scorciatoie Windows meno conosciute che ti fanno risparmiare tempo ogni giorno.
Quanto conta davvero la dimensione della memoria cache
Qui la risposta onesta è dipende dal carico di lavoro. Nei videogiochi la dimensione memoria cache pesa parecchio, perché il motore di gioco lavora in continuazione sullo stesso insieme di dati. Non è un caso che AMD abbia costruito un’intera linea di processori attorno a questo, i Ryzen X3D con tecnologia 3D V-Cache, che impilano cache aggiuntiva sopra il die e in certi titoli guadagnano parecchi frame rispetto a chip con frequenze più alte. Anche Intel ha aumentato la cache condivisa generazione dopo generazione.
Su compiti diversi il vantaggio si assottiglia. Chi fa rendering o compilazione beneficia più di core numerosi e di RAM abbondante. E soprattutto la memoria cache processore non si aggiunge dopo, a differenza della RAM o dell’SSD. È saldata nel processore, quindi è una scelta che fai al momento dell’acquisto e basta. Se stai valutando un PC fisso già assemblato o una configurazione nuova, tieni d’occhio anche quel numero e non solo i gigahertz.
Alla fine la cache è uno di quei componenti che nessuno guarda mai in fase di acquisto e che invece decide una fetta enorme delle prestazioni percepite. Un processore con poca cache può avere numeri da urlo sulla carta e sembrare comunque lento quando lo usi davvero. La prossima volta che confronti due CPU, dopo aver guardato core e frequenza scorri fino a quella riga.
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