Comment fonctionne le cache du processeur d’un ordinateur

Dans les années 1980, les vitesses des microprocesseurs ont augmenté de façon exponentielle par rapport aux temps d’accès à la mémoire. Il est rapidement devenu évident qu’il fallait faire quelque chose pour améliorer la vitesse d’accès à la mémoire et rendre l’ensemble du système plus efficace. Ces écarts entre la vitesse de traitement et la vitesse de la mémoire ont conduit au développement du cache.

Qu’est-ce que le cache

L’invention du cache a été l’un des événements les plus critiques de l’histoire de l’informatique. Mais qu’est-ce que le cache exactement ? Comment ça marche?

À son niveau de base, un cache est une sorte de mémoire rapide. Il contient un petit pool de mémoire contenant des instructions dont l’ordinateur aura probablement besoin ensuite lors de l’exécution d’une tâche particulière. L’ordinateur charge ces informations dans le cache en utilisant des algorithmes complexes et une connaissance du code de programmation. Le but d’avoir un système de cache dans l’ordinateur est de s’assurer que le processeur a un accès sans entrave aux données dont il a besoin dans l’ordre où il en a besoin.

Pour voir comment cela fonctionne, vous devez savoir que les ordinateurs ont trois types de mémoire. Il y a d’abord la mémoire primaire trouvée dans le disque dur ou le SSD. C’est le plus grand référentiel de mémoire de la machine. Ensuite, il y a la RAM ou Random Access Memory, qui est plus rapide, mais plus petite, que le périphérique de mémoire principal. Enfin, il existe des unités de mémoire dans le processeur lui-même, appelées cache. Le cache est le plus rapide de tous les types de mémoire.

Lorsqu’un programme se lance, ce programme commence à exécuter une série d’instructions trouvées dans le code du programme. Ces informations se chargent d’abord dans la RAM, puis passent au CPU. Pour utiliser au mieux les données pour exécuter les instructions, le CPU a besoin d’une mémoire à grande vitesse. C’est là qu’intervient le cache.

Niveaux de cache

Au sein du CPU, il existe trois niveaux de cache différents : le L1, L2 et L3. Certaines entreprises travaillent même sur un cache L4.

Le cache L1 est le plus rapide et le plus petit des trois. Il contient les données dont le CPU est le plus susceptible d’avoir besoin pour effectuer les opérations. Le L1 contient généralement environ 256 Ko, bien que certains l’aient poussé jusqu’à 1 Mo.

Ce petit cache a un double objectif, ayant à la fois un cache d’instructions et un cache de données. Le cache d’instructions traite des opérations que la CPU doit effectuer et le cache de données contient les informations sur lesquelles le processus doit être effectué.

Ensuite, il y a le cache L2. Le L2 est plus lent et contient plus d’informations que le L1. Il contient entre 256 Ko et 8 Mo de données auxquelles l’ordinateur devra probablement accéder ensuite.

Enfin, nous voyons le cache L3. C’est le cache le plus grand et le plus lent, stockant de 4 Mo à 50 Mo.

Comment fonctionne le cache

Lorsqu’un programme démarre sur votre ordinateur, les données circulent de la RAM vers le cache L3, puis le L2 et enfin vers le L1. Pendant que le programme s’exécute, le processeur recherche les informations dont il a besoin pour s’exécuter, en commençant dans le cache L1 et en travaillant à rebours à partir de là. Si le processeur trouve les informations nécessaires, cela s’appelle un coup de cache. S’il ne peut pas trouver les informations dont il a besoin, il s’agit d’un manque de cache et l’ordinateur doit chercher ailleurs pour trouver les informations dont il a besoin.

La latence est un facteur important dans l’efficacité d’un ordinateur. La latence est le temps nécessaire pour qu’une information soit récupérée. Le cache L1 est le plus rapide et a donc la latence la plus faible. Lorsqu’un échec de cache se produit, la latence augmente car l’ordinateur doit continuer à chercher dans différents caches pour trouver les informations dont il a besoin.

Les ordinateurs plus récents ont une taille de transistor CPU beaucoup plus petite qui a permis de construire une carte avec plus d’espace sur laquelle placer le cache directement dessus. Le fait de rapprocher physiquement le cache du processeur réduit la latence.

Bien que le cache ne soit pas quelque chose que les vendeurs d’ordinateurs soulignent souvent, il vaut la peine de vérifier. Des caches plus rapides auront moins de latence, ce qui rendra vos programmes plus rapides et plus efficaces.