ما هي ذاكرة التخزين المؤقت للمعالج ولماذا هي مهمة؟

إنفورماتيك ديجيتال » موارد » ما هي ذاكرة التخزين المؤقت للمعالج ولماذا هي مهمة؟

يركز معظم الناس على عدد أنوية المعالج وتردده ونوعه ، لكنهم يتجاهلون مكونًا أساسيًا يُحدث فرقًا كبيرًا في الأداء الفعلي: ذاكرة التخزين المؤقت للمعالج. هذه الكتلة الصغيرة من الذاكرة، المخفية داخل الشريحة نفسها، كانت من أعظم الإنجازات في تاريخ الحوسبة، إذ منعت المعالج من انتظار وصول البيانات.

إذا تساءلت يومًا عن سبب اختلاف أداء معالجين بنفس سرعة الساعة، فغالبًا ما يكمن الجواب في تفاصيل مثل حجم ذاكرة التخزين المؤقت، وهيكلها، وسرعتها . إن فهم ماهيتها، وكيفية عملها، وتأثيرها على مهام مثل الألعاب، وإنشاء المحتوى، أو الاستخدام اليومي، سيساعدك على فهم المواصفات بشكل أفضل واختيار وحدة المعالجة المركزية المناسبة لك.

ما هي ذاكرة التخزين المؤقت للمعالج تحديداً؟

ذاكرة التخزين المؤقت للمعالج هي ذاكرة سريعة مدمجة فعليًا داخل المعالج ، مصممة لتخزين البيانات والتعليمات التي يحتاجها المعالج بشكل متكرر خلال فترة زمنية قصيرة. على عكس ذاكرة الوصول العشوائي (RAM ) التي تُركّب في وحدات منفصلة على اللوحة الأم، فإن ذاكرة التخزين المؤقت متصلة بنواة المعالجة، مما يسمح بالوصول إليها بشكل شبه فوري.

يمكننا اعتبار ذاكرة التخزين المؤقت بمثابة "منصة عمل" حيث يحتفظ المعالج بالبيانات التي يستخدمها بكثرة في متناول اليد ، بدلاً من الاضطرار إلى استرجاعها باستمرار من ذاكرة الوصول العشوائي أو القرص. هذا القرب وسرعتها الهائلة يقللان بشكل كبير من أوقات انتظار وحدة المعالجة المركزية.

بينما قد تحتوي أجهزة الكمبيوتر الحديثة على أقراص صلبة أو أقراص SSD بسعة تخزين تصل إلى عدة تيرابايت وذاكرة وصول عشوائي (RAM) تتراوح سعتها بين 8 و64 جيجابايت (أو أكثر في الخوادم)، فإن ذاكرة التخزين المؤقت (الكاش) تُقاس بالميغابايت أو حتى الكيلوبايت. هذه السعة الصغيرة ليست مشكلة، فغرضها ليس تخزين كل شيء، بل فقط ما يعتبره المعالج الأكثر احتمالاً للاحتياج إليه فورًا.

في المعالجات القديمة، كان جزء من ذاكرة التخزين المؤقت موجودًا خارج الشريحة، على اللوحة الأم، مما أدى إلى زيادة زمن الاستجابة. أما في التصاميم الحديثة، فقد تم دمج ذاكرات التخزين المؤقت L1 وL2 وL3 داخل وحدة المعالج ، مما يقلل المسافات المادية، ويختصر أوقات الوصول، ويحسن الأداء بشكل ملحوظ.

مستويات التخزين المؤقت: L1، L2، L3، وL4 غير الشائع

ذاكرة التخزين المؤقت للمعالج الحديث ليست كتلة واحدة، بل هي عبارة عن تسلسل هرمي من المستويات ذات سرعات وسعات مختلفة . عادةً ما تجد ذاكرة تخزين مؤقت من المستوى الأول (L1) والثاني (L2) والثالث (L3)، وفي بعض التصميمات الخاصة، ذاكرة تخزين مؤقت إضافية من المستوى الرابع (L4)، خاصةً المرتبطة بمعالجات الرسوميات المدمجة أو التكوينات المتخصصة للغاية.

الفكرة العامة واحدة دائمًا: كلما انخفض مستوى الطبقة (L1) ، اقتربت من النواة وزادت سرعتها، لكنها تقل مساحة التخزين المتاحة لها. ومع الانتقال إلى مستويات أعلى (L2، L3، L4)، تزداد السعة لكن تقل السرعة وتزداد زمن الاستجابة.

في معالج سطح المكتب العادي، تتراوح سعة ذاكرة التخزين المؤقت من المستوى الأول (L1) لكل نواة من بضع مئات من الكيلوبايتات إلى عدة ميغابايتات من المستوى الثاني (L2) وعشرات (أو حتى مئات) الميغابايتات من ذاكرة التخزين المؤقت المشتركة من المستوى الثالث (L3). أما في المنصات أو الخوادم المتطورة، فيمكن الوصول إلى أرقام مذهلة حقًا، حيث تصل سعة ذاكرة التخزين المؤقت من المستوى الثاني (L2) إلى عشرات الميغابايتات، وذاكرة التخزين المؤقت من المستوى الثالث (L3) إلى مئات الميغابايتات.

تم تصميم هذا التسلسل الهرمي بعناية بحيث يجد المعالج المركزي معظم البيانات بأسرع مستوى ممكن ، مما يقلل من عمليات الوصول إلى الذاكرة الرئيسية ويحقق أقصى استفادة من كل دورة ساعة للمعالج.

مخبأ L1: خط المعركة الأول

ذاكرة التخزين المؤقت من المستوى الأول (L1) هي أقرب مستوى إلى وحدات تنفيذ النواة، وبالتالي فهي أسرع ذاكرة في النظام بأكمله . سعتها صغيرة جدًا، لكن زمن استجابتها لا يتجاوز جزءًا من النانوثانية، وهو أمر ضروري لتغذية النواة دون انقطاع.

عادةً ما تُنظَّم ذاكرة التخزين المؤقت من المستوى الأول (L1) في قسمين منفصلين: ذاكرة تخزين مؤقت للبيانات وذاكرة تخزين مؤقت للتعليمات. وهذا يسمح للمعالج بقراءة ما يحتاج إلى تنفيذه (التعليمات) والبيانات التي سيُجري عليها العمليات في آنٍ واحد، دون أن يتنافس كلاهما على نفس مساحة الذاكرة.

في معظم البنى الحديثة، يمتلك كل معالج ذاكرة تخزين مؤقتة من المستوى الأول (L1) مستقلة خاصة به . لا يوجد ترابط مباشر بين ذاكرات التخزين المؤقتة هذه في المعالجات المختلفة، ولكن هذا لا يُشكل مشكلة لأن كل معالج يصل فقط إلى الجزء الخاص به. على سبيل المثال، إذا أعلن معالج ثماني النواة عن ذاكرة تخزين مؤقتة من المستوى الأول (L1) بسعة 512 كيلوبايت، فإنه عادةً ما يمتلك فعليًا 64 كيلوبايت لكل نواة، موزعة بين البيانات والتعليمات.

بفضل هذا التصميم، عندما ينجح المعالج في تحديد موقع المعلومات في ذاكرة التخزين المؤقت من المستوى الأول (L1)، تكون عملية الوصول سريعة للغاية لدرجة أن تأثيرها على الأداء يكاد يكون معدومًا. لذلك، فإن أي انخفاض في سعة ذاكرة التخزين المؤقت من المستوى الأول (L1) يؤدي عادةً إلى خسائر كبيرة في الأداء في ظل أحمال عمل معينة.

ذاكرة التخزين المؤقت من المستوى الثاني: الخطوة الثانية

تُعدّ ذاكرة التخزين المؤقت من المستوى الثاني (L2) بمثابة خط دفاع ثانٍ. وهي أبطأ من ذاكرة التخزين المؤقت من المستوى الأول (L1)، ولكنها في المقابل توفر سعة أكبر بكثير . وعادةً ما تُخزَّن البيانات التي لم تعد تتسع في ذاكرة التخزين المؤقت من المستوى الأول (L1) ولكنها لا تزال ذات صلة بالمهام الجارية في هذه الذاكرة.

بحسب تصميم وحدة المعالجة المركزية، يمكن أن تكون ذاكرة التخزين المؤقت من المستوى الثاني (L2) خاصة بكل نواة أو مشتركة بين عدة نوى في مجموعة . في بعض المعالجات، تُجمّع النوى في كتل وتُخصص لها ذاكرة تخزين مؤقت مشتركة من المستوى الثاني؛ وفي معالجات أخرى، تمتلك كل نواة ذاكرة تخزين مؤقت خاصة بها من المستوى الثاني، مما يُسهّل إدارة التناسق.

توجد في بعض البنى المعمارية أن مستوى التخزين المؤقت L2 كان، لفترة طويلة، آخر مستوى متاح، ويعمل عمليًا كمستوى L3 في المعالجات الحالية. واليوم، تستخدم كل من إنتل وإيه إم دي تكوينات ذات ذاكرة تخزين مؤقت L3 مشتركة ، ولكن طريقة توزيع L2 وL3 قد تختلف اختلافًا كبيرًا اعتمادًا على ما إذا كانت نوى عالية الأداء، أو نوى عالية الكفاءة، أو رقاقات منفصلة.

بعبارات ملموسة، يمكنك الانتقال من بضع مئات من الكيلوبايت من ذاكرة التخزين المؤقت L2 لكل نواة في النطاقات الأساسية إلى عدة ميغابايت من ذاكرة التخزين المؤقت L2 لكل نواة في المعالجات أو الخوادم المتقدمة، وهو أمر يؤثر بشكل واضح على الأداء مع بعض التطبيقات كثيفة البيانات.

ذاكرة التخزين المؤقت L3 أو LLC: آخر مستوى مشترك

ذاكرة التخزين المؤقت من المستوى الثالث (L3)، والتي تُسمى أيضًا ذاكرة التخزين المؤقت من المستوى الأخير (LLC)، هي المستوى الأخير في التسلسل الهرمي لذاكرة التخزين المؤقت المدمجة في وحدة المعالجة المركزية. وهي أكبر ذاكرة تخزين مؤقت، ولكنها الأبطأ، داخل شريحة المعالج، وعادةً ما تكون مشتركة بين جميع النوى أو على الأقل مجموعات كبيرة منها.

بخلاف L1 و L2، اللذان يرتبطان عادة ارتباطًا وثيقًا بكل نواة، تم تصميم L3 كمساحة موحدة كبيرة يمكنها تخزين كل من البيانات والتعليمات ويمكن لجميع النوى الوصول إليها عندما لا تتمكن من العثور على ما تبحث عنه في مستوياتها المحلية.

تتيح هذه الطبيعة المشتركة تقنيات مبتكرة للغاية من قِبل الشركات المصنعة، مثل زيادة الحجم من خلال التراص ثلاثي الأبعاد. وينطبق هذا على تقنية V-Cache ثلاثية الأبعاد من AMD ، التي تضيف رقاقات تخزين مؤقت إضافية على جزء من وحدة المعالجة المركزية لمضاعفة سعة ذاكرة التخزين المؤقت L3 المتاحة دون الحاجة إلى زيادة مساحة سطح الشريحة الرئيسية بشكل كبير.

يمكن أن تختلف ذاكرة التخزين المؤقت L3 بشكل كبير اعتمادًا على الطراز: من بضعة ميغابايت في المعالجات البسيطة، إلى عشرات أو حتى مئات الميغابايت من ذاكرة التخزين المؤقت L3 في وحدات المعالجة المركزية للخوادم أو الطرازات ذات التراص ثلاثي الأبعاد المصممة لأحمال العمل المتطلبة للغاية، مثل قواعد البيانات أو المحاكاة الافتراضية أو الألعاب عالية الأداء.

مخبأ L4: المستوى الغريب

على الرغم من عدم شيوعها في معالجات سطح المكتب الحديثة، إلا أن ذاكرة التخزين المؤقت من المستوى الرابع (L4) موجودة، وقد ظهرت في بعض الطرازات المحددة كدعم إضافي ، خاصةً عند استخدام وحدة معالجة رسومية مدمجة قوية. في هذه الحالات، تُنفذ ذاكرة التخزين المؤقت من المستوى الرابع عادةً باستخدام ذاكرة مثل eDRAM، وتقع في حزمة منفصلة قريبة جدًا من وحدة المعالجة المركزية.

ومن الأمثلة الكلاسيكية على ذلك معالج Intel Core i5 5775C، الذي جمع بين ذاكرة تخزين مؤقتة تقليدية صغيرة من المستوى الثالث (L3) وذاكرة eDRAM بسعة 128 ميجابايت تُستخدم كذاكرة تخزين مؤقتة من المستوى الرابع (L4) لتسريع الوصول إلى الذاكرة لوحدة معالجة الرسومات المدمجة. وقد عملت ذاكرة التخزين المؤقتة من المستوى الرابع (L4) كمخزن مؤقت عالي النطاق الترددي بين وحدة معالجة الرسومات وذاكرة الوصول العشوائي (RAM)، مما قلل من اعتماد معالج الرسومات المباشر على ذاكرة النظام.

لم تنتشر ذاكرة التخزين المؤقت L4 على نطاق واسع في أجهزة الكمبيوتر المكتبية، ولكنها قد تستعيد مكانتها البارزة مع تطور بنى وحدة المعالجة المركزية ووحدة معالجة الرسومات المتكاملة، وخاصة مع ظهور الحوسبة الذكية على أجهزة الكمبيوتر الشخصية.

كيف تعمل ذاكرة التخزين المؤقت لوحدة المعالجة المركزية عملياً

من المهم فهم أن ذاكرة التخزين المؤقت لا تعمل كذاكرة وصول عشوائي مصغرة يمكن للمبرمج توجيه وحدة المعالجة المركزية إليها. في الواقع، تتم إدارة ذاكرة التخزين المؤقت تلقائيًا وبشكل غير مرئي للبرنامج : فوحدة المعالجة المركزية هي التي تحدد البيانات التي سيتم نسخها، وكيفية تنظيمها، ومتى يتم حذفها.

عند تشغيل برنامج، تنتقل تعليماته وبياناته أولاً إلى وحدة التخزين (SSD أو HDD)، ثم تُحمّل في ذاكرة الوصول العشوائي (RAM)، ومن هناك، تُنسخ أجزاء الذاكرة الأقرب إلى العنوان الذي يستخدمه المعالج إلى ذاكرة التخزين المؤقت (الكاش). لا يقتصر هذا النسخ على العنوان المطلوب تحديدًا، بل يمتد إلى كتلة ذاكرة محيطة، تحسبًا لاحتمالية الحاجة إلى البيانات المجاورة قريبًا.

لا يستعلم المعالج المركزي مباشرةً من ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) للتحقق من وجود البيانات؛ بل يتم عكس التسلسل: ففي كل عملية وصول، يتحقق أولاً من ذاكرة التخزين المؤقت من المستوى الأول (L1)، ثم من المستوى الثاني (L2)، ثم من المستوى الثالث (L3)، ولا يلجأ إلى ذاكرة الوصول العشوائي إلا إذا فشل في جميع المستويات . يُطلق على العثور على البيانات في ذاكرة التخزين المؤقت اسم "نجاح"، بينما يُطلق على الاضطرار إلى اللجوء إلى ذاكرة الوصول العشوائي (أو حتى وحدة التخزين) اسم "فشل".

تتولى الخوارزميات الداخلية مسؤولية تخزين المعلومات التي يُحتمل إعادة استخدامها مؤقتًا، وإخراج المعلومات التي لم يعد يُتوقع الحاجة إليها. وتُعد هذه آليات معقدة نسبيًا، تأخذ في الحسبان أنماط الوصول، والترابط بين النوى، والبنية الفيزيائية للذاكرة.

يكمن جوهر المشكلة في أن كل مرة يضطر فيها المعالج المركزي للانتظار نانوثانية إضافية لاسترجاع البيانات، يُترجم ذلك إلى ضياع دورات المعالجة . وبالنظر إلى أن المعالج المركزي الحديث يُعالج مليارات الدورات في الثانية، فإن تراكم التأخيرات المستمرة نتيجةً لأخطاء الذاكرة المؤقتة سيؤدي إلى خسارة فادحة في الأداء العام.

تسلسل استخدام ذاكرة التخزين المؤقت وزمن الاستجابة

عندما يحتاج المعالج إلى جزء من البيانات أو تعليمة، فإنه يتبع دائمًا المسار نفسه: يبحث أولًا في ذاكرة التخزين المؤقت من المستوى الأول (L1) ، وهي الأسرع؛ إذا لم يجدها هناك، ينتقل إلى ذاكرة التخزين المؤقت من المستوى الثاني (L2)؛ إذا لم يجدها هناك أيضًا، ينتقل إلى ذاكرة التخزين المؤقت من المستوى الثالث (L3). فقط عندما يفشل في الوصول إلى جميع هذه المستويات، فإنه يلجأ إلى ذاكرة الوصول العشوائي (RAM)، وهي أبطأ بكثير في زمن الوصول.

في المعالجات الحديثة، نجد زمن استجابة أقل من نانوثانية واحدة للذاكرة من المستوى الأول (L1) ، وبضع نانوثوانٍ للذاكرة من المستوى الثاني (L2)، وقيمًا مكونة من رقمين للذاكرة من المستوى الثالث (L3). في المقابل، قد يكون زمن استجابة ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) أكبر بعشرات المرات، وذلك اعتمادًا على سرعة (MT/s) وتوقيت (CL) الوحدة.

على سبيل المثال، قد يحتوي معالج Ryzen من أحدث جيل على ذاكرة تخزين مؤقتة من المستوى الأول (L1) بسعة 512 كيلوبايت تقريبًا وزمن استجابة يبلغ 0,7 نانوثانية تقريبًا، وذاكرة تخزين مؤقتة من المستوى الثاني (L2) بسعة 8 ميجابايت وزمن استجابة يتراوح بين 2 و3 نانوثانية تقريبًا ، وذاكرة تخزين مؤقتة من المستوى الثالث (L3) بسعة 32 ميجابايت ومتوسط ​​زمن وصول يزيد قليلاً عن 10 نانوثانية. أما ذاكرة DDR5 RAM، حتى عند تشغيلها بترددات عالية وفي وضع القناة المزدوجة، فتعمل بزمن استجابة يصل إلى عشرات النانوثانية.

كلما زاد حجم ذاكرة التخزين المؤقت، زادت المساحة التي تشغلها على شريحة السيليكون، وارتفع زمن استجابتها؛ لذا، يجب على المصنّعين الموازنة بين الحجم والسرعة واستهلاك الطاقة والتكلفة . تسمح تقنيات مثل التراص ثلاثي الأبعاد بزيادة سعة ذاكرة التخزين المؤقت من المستوى الثالث دون التأثير بشكل كبير على مساحة سطح الشريحة الرئيسية، مع وجود بعض التنازلات، مثل انخفاض طفيف في التردد الأقصى أو قيود على كسر السرعة.

عند نجاح الوصول إلى ذاكرة التخزين المؤقت من المستوى الأول أو الثاني، لا يكاد المعالج يفقد أي دورات في الانتظار، ولكن إذا امتد البحث إلى ذاكرة الوصول العشوائي، يرتفع تأثير الأداء بشكل كبير. ولهذا السبب، غالبًا ما يكون أداء المعالجات ذات ذاكرة التخزين المؤقت المحدودة أو المصممة بشكل سيئ أسوأ، حتى عند نفس التردد ونفس عدد النوى.

العلاقة بين ذاكرة التخزين المؤقت وذاكرة الوصول العشوائي والتخزين

يستخدم الحاسوب الشخصي ثلاثة أنواع رئيسية من الذاكرة: التخزين (HDD/SSD)، وذاكرة الوصول العشوائي (RAM)، وذاكرة التخزين المؤقت للمعالج (CPU cache). يُعد التخزين الأكبر حجمًا والأبطأ ، ويحتوي على نظام التشغيل والبرامج والملفات. أما ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) فهي أسرع وتُستخدم كمساحة عمل عامة للتطبيقات.

من ناحية أخرى، تُعدّ ذاكرة التخزين المؤقت للمعالج أصغر حجماً، لكنها الأسرع بلا منازع . وتتمثل وظيفتها في العمل كحلقة وصل بين ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) ونواة المعالجة، ما يُغني المعالج عن الوصول المستمر إلى الذاكرة الرئيسية. ويُقرّب كل مستوى من مستويات ذاكرة التخزين المؤقت البيانات من النواة، ما يُقلّل زمن الاستجابة الفعلي.

يمكن لتحسين سرعة ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) وتقليل زمن الاستجابة أن يقلل جزئيًا من أخطاء ذاكرة التخزين المؤقت، حيث سيتأثر أداء وحدة المعالجة المركزية (CPU) بشكل أقل عند الوصول إلى الذاكرة الرئيسية . مع ذلك، في كثير من الحالات، يكمن مفتاح الأداء الأمثل في زيادة معدل نجاح الوصول إلى ذاكرة التخزين المؤقت من خلال بنى معمارية أفضل، وبالطبع، سعة أكبر بالمستويات المناسبة.

لذلك، على الرغم من أن ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) لا تزال ذات أهمية كبيرة (خاصة في الأحمال الثقيلة جدًا أو تعدد المهام الشديد)، فقد أصبحت ذاكرة التخزين المؤقت عاملاً حاسمًا يحدث اختلافات حقيقية بين تصميمات وحدة المعالجة المركزية (CPU) ذات عدد مماثل من النوى والترددات.

ذاكرة التخزين المؤقت مقابل ذاكرة التخزين المؤقت المؤقتة

لا يقتصر الأمر داخل المعالج نفسه على ذاكرة التخزين المؤقت فحسب؛ بل تتضمن بعض البنى أيضًا ما يُعرف باسم ذاكرة الوصول العشوائي المؤقتة (Scratchpad RAM )، ومن المهم عدم الخلط بين المفهومين لأن فلسفتهما مختلفة تمامًا.

كما رأينا، تعمل ذاكرة التخزين المؤقت كنسخة مؤقتة تلقائية من البيانات الموجودة في ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) الأقرب إلى ما يتم تنفيذه حاليًا. لا يديرها المبرمج بشكل مباشر: فالجهاز هو من يقرر ما يتم إدخاله وما يتم إخراجه وفقًا لسياساته الداخلية.

أما ذاكرة الوصول العشوائي المؤقتة (Scratchpad RAM)، فهي ذاكرة تعمل بشكل مشابه لذاكرة الوصول العشوائي المحلية داخل المعالج أو وحدة المعالجة نفسها، ويجب إدارتها بشكل صريح بواسطة البرنامج . أي أن البرنامج ينسخ البيانات التي يريد تخزينها في تلك المساحة يدويًا، ويقرر أيضًا متى يقوم بمسحها أو استبدالها، كما لو كانت ذاكرة وصول عشوائي محلية فائقة.

لذا، يكمن الفرق الرئيسي في أن ذاكرة التخزين المؤقت شفافة تمامًا وتُدار ذاتيًا بواسطة وحدة المعالجة المركزية ، بينما تتطلب لوحة التخزين المؤقت تدخلًا برمجيًا مباشرًا. يتعايش كلا النوعين في بعض الرقاقات المتخصصة، لكن ذاكرة التخزين المؤقت هي المعيار في المعالجات العامة التي نستخدمها في أجهزة الكمبيوتر الشخصية والمحمولة والأجهزة الذكية.

كيف تؤثر ذاكرة التخزين المؤقت على الأداء في العالم الحقيقي؟

عند هذه النقطة، يتبادر إلى الذهن سؤال منطقي: إذا كان للمعالجين نفس عدد النوى وترددات متقاربة، فما مدى تأثير الذاكرة المؤقتة على الأداء؟ الإجابة هي أن ذلك يعتمد بشكل كبير على نوع عبء العمل ، ولكن في بعض المهام قد يكون الفرق كبيرًا جدًا.

يُعدّ معالج AMD Ryzen 7 5800X وإصداره 5800X3D مثالاً توضيحياً للغاية. يشترك كلا المعالجين في نفس البنية الأساسية ونفس عدد النوى ، لكنّ الإصدار ثلاثي الأبعاد يُضيف كمية هائلة من ذاكرة التخزين المؤقت L3 المكدسة، حيث ترتفع من 32 ميجابايت إلى 96 ميجابايت.

لتحقيق ذلك، كان من الضروري خفض ترددات التشغيل الأساسية والترددات التوربينية قليلاً ، وإلغاء خيارات كسر السرعة التقليدية - وهي تضحيات معتدلة قد تُقلل نظرياً من الأداء الخام إلى حد ما. مع ذلك، عند اختبار الألعاب وبعض الأحمال الحساسة لذاكرة التخزين المؤقت، كان التحسن في الأداء مذهلاً لصالح الطراز المزود بذاكرة تخزين مؤقت L3 مكدسة.

في العديد من اختبارات الألعاب، يقدم معالج 5800X3D مزايا برقمين في متوسط ​​معدل الإطارات في الثانية مقارنة بمعالج 5800X الأصلي، والأمر الأكثر إثارة للاهتمام هو أنه يحسن بشكل واضح الحد الأدنى بنسبة 1%، أي تلك اللحظات التي يعاني فيها محرك اللعبة أكثر من غيرها وتلاحظ فيها تقطعات أو انخفاضات في سلاسة الحركة.

مع ذلك، في مهام إنشاء المحتوى المكثفة (مثل المعالجة، وبعض مهام التحرير، وما إلى ذلك)، لا يُحسّن رفع مستوى ذاكرة التخزين المؤقت من المستوى الثالث الأداء بشكل ملحوظ، بل قد يُؤدي إلى تدهوره إذا أصبحت الترددات المنخفضة هي العامل المُحدد. في هذه الحالات، لم تكن ذاكرة التخزين المؤقت هي العائق، بل عوامل أخرى مثل قوة المعالجة الخام أو عرض نطاق الذاكرة.

ذاكرة التخزين المؤقت وأداء الألعاب

تتعامل ألعاب الفيديو الحديثة، وخاصة الأكثر تطلبًا، مع كمية كبيرة من البيانات التي يتعين على وحدة المعالجة المركزية معالجتها باستمرار: منطق اللعبة، والفيزياء، والذكاء الاصطناعي، وإعداد استدعاءات الرسم لوحدة معالجة الرسومات، وما إلى ذلك. في هذا السياق، يمكن أن يُحدث وجود ذاكرة تخزين مؤقتة من المستوى الثالث كبيرة ومستغلة بشكل جيد فرقًا كبيرًا.

بفضل قدرة المعالج على تخزين المزيد من البيانات والتعليمات المتعلقة بحالة عالم اللعبة، فإنه يقلل من عدد مرات وصوله إلى ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) . وهذا يُترجم إلى معدل إطارات أفضل في الألعاب التي يكون فيها المعالج هو العامل المحدد، ولكن الأهم من ذلك كله، إلى استقرار أكبر: انخفاضات أقل في الأداء المفاجئ ووقت استجابة أكثر اتساقًا.

لقد ساهمت تقنية ذاكرة التخزين المؤقت ثلاثية الأبعاد V-Cache من AMD في تسليط الضوء على هذه المشكلة. تتضمن طرازات مثل Ryzen 7 7800X3D و7950X3D كميات هائلة من ذاكرة التخزين المؤقت L3 (96 ميجابايت، 128 ميجابايت، إلخ)، وقد تمكنت من تبوؤ مكانة رائدة في أداء الألعاب المنزلية بفضل هذه السعة الإضافية لذاكرة التخزين المؤقت.

في معالج 7800X3D، على سبيل المثال، تجمع الشريحة بين ذاكرة تخزين مؤقتة من المستوى الأول (L1) بسعة 1 ميجابايت، وذاكرة تخزين مؤقتة من المستوى الثاني (L2) بسعة 16 ميجابايت، وذاكرة التخزين المؤقتة الشهيرة من المستوى الثالث (L3) بسعة 96 ميجابايت. إن فهم آلية عمل هذه الذاكرة المؤقتة يكشف أنها ليست مجرد رقم تسويقي مبهر، بل تسمح بتخزين المزيد من بيانات اللعبة المفيدة داخل وحدة المعالجة المركزية نفسها ، مما يضاعف فرص النجاح ويقلل من عمليات الوصول إلى الذاكرة.

مع ذلك، لن تُحدث الذاكرة المؤقتة وحدها معجزات: فإذا كان المعالج الأساسي ضعيفًا جدًا، فلن تُحوّله إضافة الذاكرة المؤقتة فجأةً إلى معالج خارق. يبقى المزيج الأمثل للألعاب هو معدل تنفيذ عالي لكل دورة ساعة، وسرعة ساعة جيدة، وذاكرة مؤقتة كافية، وذاكرة وصول عشوائي سريعة ذات زمن استجابة منخفض.

موقف إنتل من ذاكرة التخزين المؤقت ثلاثية الأبعاد من AMD

بالنظر إلى نجاح معالجات Ryzen المزودة بتقنية 3D V-Cache في مجال الألعاب، كان من المنطقي افتراض أن شركة إنتل ستتبنى الاستراتيجية نفسها. مع ذلك، أوضحت الشركة أنها، على الأقل في الوقت الراهن، لا تخطط لتقديم حل مطابق لنماذج AMD X3D.

تركز شركة إنتل بشكل أكبر على الحفاظ على توازن الأداء العام لمجموعة واسعة من السيناريوهات (الإنتاجية، والإبداع، والألعاب، والذكاء الاصطناعي، وما إلى ذلك)، بدلاً من استهداف المجال المتخصص الذي تتألق فيه ذاكرة التخزين المؤقت L3 الضخمة بشكل أكبر، وهو مجال الألعاب الاحترافية.

لا يعني ذلك إهمالهم لذاكرة التخزين المؤقت: إذ تخطط الشركة لزيادة سعة ذاكرة التخزين المؤقت من المستوى الأول والثاني والثالث تدريجيًا في الأجيال القادمة، ولكن دون الاعتماد كليًا على زيادة هائلة في سعة ذاكرة التخزين المؤقت من المستوى الثالث كما تفعل AMD. ستكون هناك تحسينات على ذاكرة التخزين المؤقت، نعم، ولكنها ستكون موزعة ومصحوبة بتغييرات في البنية، والمعالجات الهجينة، والذكاء الاصطناعي المدمج، وميزات أخرى.

مع ذلك، فإنّ ضغط المنافسة واضح، لا سيما في أجهزة الألعاب المحمولة والمكتبية المتطورة، حيث أصبحت طرازات AMD X3D هي المعيار. وسيكون من المثير للاهتمام متابعة تطور هذه "المنافسة على الذاكرة المؤقتة" في الجيل القادم من المعالجات.

ذاكرة التخزين المؤقت لوحدة المعالجة المركزية مقابل ذاكرات التخزين المؤقت الأخرى للنظام

على الرغم من أننا نتحدث عادةً عن "ذاكرة التخزين المؤقت" عند التفكير في ذاكرة التخزين المؤقت لوحدة المعالجة المركزية، إلا أن المصطلح ينطبق بشكل أوسع على أي وحدة تخزين بيانات مؤقتة مصممة لتسريع عمليات الوصول المتكررة . يحتوي جهاز الكمبيوتر الشخصي على أنواع متعددة من ذاكرة التخزين المؤقت بالإضافة إلى تلك المدمجة في المعالج.

من جهة، تحتوي بطاقات الرسومات الحديثة على ذاكرة تخزين مؤقتة داخلية خاصة بها (ذاكرة تخزين مؤقتة لوحدة معالجة الرسومات) ، مما يساعد في إدارة الصور والمؤثرات البصرية والمخازن المؤقتة وبيانات الرسومات الأخرى دون الاعتماد المستمر على ذاكرة الوصول العشوائي للفيديو. كما تتضمن محركات الأقراص الصلبة ومحركات الأقراص ذات الحالة الصلبة ذاكرة تخزين مؤقتة للقرص، تستخدم ذاكرة سريعة (ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية أو ذاكرة الوصول العشوائي ذات الحالة الصلبة، حسب الطراز) لتخزين عمليات القراءة والكتابة مؤقتًا.

على مستوى البرمجيات، تستخدم المتصفحات وأنظمة التشغيل والتطبيقات المختلفة ذاكرات التخزين المؤقت الخاصة بها: يقوم المتصفح بحفظ الملفات المؤقتة والصور وملفات تعريف الارتباط على القرص حتى لا يتعين تنزيلها مرة أخرى، وتقوم العديد من التطبيقات بتخزين البيانات المستخدمة بشكل متكرر لبدء التشغيل والاستجابة بشكل أسرع.

يحدث الشيء نفسه على الهواتف المحمولة والأجهزة اللوحية: يحتوي المعالج على ذاكرة تخزين مؤقتة داخلية من المستوى L1/L2/L3 ، وقد تحتوي وحدة معالجة الرسومات المدمجة على نظام ذاكرة تخزين مؤقتة خاص بها، وتملأ التطبيقات وحدة التخزين الداخلية ببيانات مؤقتة تعمل على تحسين التجربة ... إلى أن تشغل مساحة كبيرة جدًا ويصبح من الضروري تنظيفها.

الأهم هو عدم الخلط بين ذاكرة التخزين المؤقت للبرامج أو الأجهزة وذاكرة التخزين المؤقت للمعالج: فهي تشترك في نفس المبدأ، ولكن ليس في نفس الموقع أو السرعة . تبقى ذاكرة التخزين المؤقت للمعالج هي الأسرع والأكثر أهمية لأداء الحوسبة.

ما هو دور ذاكرة التخزين المؤقت على الأجهزة المحمولة، وهل يؤثر حذفها على بياناتك؟

عندما نتحدث عن "مسح ذاكرة التخزين المؤقت" على الهواتف المحمولة أو في التطبيقات، فإننا لا نشير عادةً إلى ذاكرة التخزين المؤقت L1/L2/L3 للمعالج (وهي عبارة عن مكونات مادية ولا يمكن حذفها بهذه البساطة )، ولكن إلى التخزين المؤقت الذي تحفظه التطبيقات في ذاكرة الجهاز.

عند مسح ذاكرة التخزين المؤقت لأحد التطبيقات، فإنك تحذف الملفات المؤقتة والصور التي تم تنزيلها وبيانات الجلسة، وما إلى ذلك ، ولكن ليس صورك أو مقاطع الفيديو أو مستنداتك الشخصية. فهذه الملفات مخزنة على وحدة التخزين الداخلية أو بطاقة الذاكرة، وليس في ذاكرة التخزين المؤقت للتطبيق.

لذا، فإن مسح ذاكرة التخزين المؤقت لتطبيق ما أو لنظام أندرويد/آي أو إس نفسه لا يحذف صورك أو ملفاتك المهمة . مع ذلك، قد يتسبب ذلك في تأخر تحميل بعض المحتويات في بعض التطبيقات عند فتحها لاحقًا، لأنها ستضطر إلى إعادة إنشاء أو إعادة تنزيل تلك البيانات.

على الأجهزة المحمولة، كما هو الحال على أجهزة الكمبيوتر، يمكن أن يكون مسح ذاكرة التخزين المؤقت للتطبيقات الثقيلة للغاية بانتظام ممارسة جيدة لاستعادة مساحة التخزين ومنع النظام من أن يصبح بطيئًا، خاصة على الطرازات ذات الذاكرة الداخلية القليلة.

أما ذاكرة التخزين المؤقت الداخلية للمعالج، من ناحية أخرى، فهي شفافة تمامًا للمستخدم ولا يتم "تنظيفها" يدويًا ؛ فهي تدير نفسها في أجزاء من الثانية أثناء التشغيل العادي للجهاز.

باختصار، عندما ترى خيار "مسح ذاكرة التخزين المؤقت" على هاتفك المحمول، تذكر أنك تقوم بالوصول إلى بيانات التطبيق المؤقتة ، وليس ذاكرة التخزين المؤقت لوحدة المعالجة المركزية التي شرحناها في جميع أنحاء هذه المقالة.

في نهاية المطاف، تُعدّ ذاكرة التخزين المؤقت للمعالج أحد المكونات الخفية التي تؤثر على كل شيء: من سلاسة اللعبة إلى سرعة فتح البرنامج. إن فهم كيفية تنظيمها في مستويات (L1، L2، L3، وفي بعض الحالات L4)، وكيفية تفاعلها مع ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) والتخزين، ولماذا يمكن لزيادة سعتها أن تُحسّن الأداء بشكل كبير في بعض الحالات، يُتيح لك قراءة مواصفات وحدة المعالجة المركزية (CPU) بمنظور جديد وتقييم ما إذا كانت تُناسب استخدامك المقصود، سواءً كان ذلك للألعاب، أو العمل، أو إنشاء المحتوى، أو ببساطة الاستمتاع بنظام أكثر استجابة في حياتك اليومية.