¿Qué es la caché de la CPU? ¿Por qué es importante la caché L1, L2 y L3?

La caché de la CPU es una pequeña memoria temporal ubicada en la propia CPU. almacena datos precargados que la CPU probablemente necesitará para un acceso rápido. Esto es necesario para garantizar que la RAM no bloquee la CPU.

Las CPU modernas suelen implementar el caché de la CPU en 3 niveles: L1, L2y L3. Estos juegan un papel importante a la hora de determinar el rendimiento de la CPU (especialmente para determinadas tareas como los juegos).

Entonces, veamos cómo funciona el caché de la CPU, por qué es importante y cuánto caché de CPU necesitará para sus cargas de trabajo.

¿Qué hace la caché de la CPU?

Los programas que ejecuta se cargan primero en la RAM. La CPU busca, decodificay ejecuta instrucciones de la memoria principal.

El «problema» con esto es que los procesadores modernos son extremadamente potentes (capaces de ejecutar miles de millones de instrucciones por segundo).

Por ejemplo, el AMD Ryzen 9 3950X tiene una velocidad de reloj base de 3,5 GHz (3,5 mil millones de ciclos por segundo). Puede ejecutar más de cien instrucciones en un ciclo de reloj único.

Sin embargo, acceder a los datos desde la RAM puede tardar cientos de ciclos. Son muchos ciclos desperdiciados por los que la CPU se detiene.

Si la CPU tuviera que acceder a los datos de la RAM cada vez, eso crearía un cuello de botella significativo y paralizaría el rendimiento del sistema. Aquí es donde entra en juego la caché de la CPU.

La CPU analiza los patrones de acceso para predecir qué datos e instrucciones probablemente necesitará a continuación. Luego, los mueve de la RAM a la caché de la CPU antes de que realmente sean necesarios (esto se llama precarga).

Dependiendo del nivel, acceder a los datos desde la memoria caché de la CPU puede ser cien veces más rápido que hacerlo desde la RAM. Por tanto, el retraso de la CPU se reduce significativamente.

Caché L1, L2 y L3

Las CPU actuales implementan 3 niveles de caché de CPU para maximizar el rendimiento. Esto les permite alcanzar el punto óptimo en cuanto a tamaño de caché, latencia y tasa de aciertos.

  • L1 – más rápido pero más pequeño, por núcleo (128 KB – 2 MB en total)
  • L2 – latencia y capacidad media, puede ser por núcleo o compartido (256 KB – 32 MB en total)
  • L3 – más lento pero más grande, compartido (1 MB – 128 MB en total)

Puede obtener los números exactos para su CPU en línea o utilizando herramientas de creación de perfiles del sistema como CPU-Z y HWiNFO.

Estadísticas de caché de Ryzen 7 5700G en CPU-Z y HWiNFO

En mi Ryzen 7 5700Gpuedes ver que está dividido en Datos L1 y Instrucciones L1. 32 KB de ambos cachés están integrados en los 8 núcleos. Esto significa que la caché L1 total es de 512 KB.

Como la caché L1 es el nivel de memoria más pequeño/rápido, la CPU primero verifica si los datos requeridos están en L1. Si los datos están presentes, lee o escribe inmediatamente en L1. Esto se llama un golpe de caché.

A veces, los datos requeridos no estarán en L1. Esto se llama un pérdida de caché. En este caso, la CPU comprueba el siguiente nivel de caché más rápido, es decir, L2.

La caché L2 es más grande pero más lenta en comparación con la L1. Se puede implementar por núcleo o como un grupo compartido. En el 5700G, está dividido en 8 vías (512 KB por núcleo), lo que suma un total de 4 MB.

Si se produce una pérdida de caché en L2, la CPU verifica L3 a continuación. Este es el nivel de caché de CPU más grande, pero también tiene la latencia más alta. Por ejemplo, el 5700G tiene una caché L3 de 16 MB implementada como grupo compartido.

Si se vuelve a producir una pérdida de caché, la CPU verifica la RAM y luego la unidad de almacenamiento.

Niveles de caché de CPU de cerca

Antes de continuar, veamos cómo se ven los niveles de caché de la CPU en una CPU real para comprender mejor las cosas.

Si desmontas una CPU y lijas la capa inferior de la CPU, puedes exponer los circuitos reales de la CPU.

Por ejemplo, la capa inferior de una i9-13900K La CPU se parece a esto:

Disparo de CPU i9 13900k
Intel Core i9-13900K troquelado por Fritzchens Fritz

Gire la imagen en el sentido contrario a las agujas del reloj para que el primer plano sea horizontal. Luego, compárelo con esta interpretación troquelada. Verás exactamente cómo se implementan los diferentes niveles de caché.

CPU i9 13900k anotada
Troquelado original de Fritzchens Fritz, etiquetas añadidas por JmsDoug

Al verificar los datos de las herramientas de creación de perfiles del sistema, tendrá una idea aún más clara de la distribución de la caché de la CPU.

En el caso del i9-13900K, puede ver cómo las cachés L1 y L2 se distribuyen entre los núcleos P y E.

Estadísticas de caché de la CPU i9 13900k
Distribución de caché Intel Core i9-13900K en CPU-Z

¿Cuánta caché de CPU necesitas?

La caché de la CPU es claramente importante para el rendimiento de la CPU. Pero ¿qué significa eso para el usuario final? ¿Son siempre mejores las CPU con mayor caché?

Todo depende de para qué usarás la CPU.

Hay muchos factores a considerar al elegir una CPU: velocidad de reloj, número de núcleos, generación de CPU, arquitectura, TDP, caché, etc. Todos ellos están interconectados y juntos determinan el rendimiento de la CPU.

Entonces, en general, es difícil seleccionar un elemento como el caché y atribuirle rendimiento. Pero hay excepciones.

Tomemos como ejemplo las CPU para juegos X3D de AMD. el ryzen 5800X y 5800X3D son en su mayoría similares. La única diferencia es una velocidad de reloj ligeramente más baja, pero triple la caché L3 en el 5800X3D (32 MB frente a 96 MB).

Los puntos de referencia de estos procesadores muestran que el rendimiento difiere según la carga de trabajo.

  • En pruebas comparativas sintéticas y tareas de productividad como la edición de video, el el caché adicional no hace ninguna diferencia. Esto se debe a que la tasa de aciertos de L3 ya es muy alta para datos secuenciales.
  • De hecho, la frecuencia ligeramente más baja significa que 5800X3D puede incluso funcionar peor.
  • Pero el 5800X3D brilla para tareas como juegos donde la CPU necesita acceder con frecuencia a datos aleatorios desde L3.
  • En promedio, el caché adicional da como resultado una mejora del 10 al 15 % en el FPS promedio y una 20% o mayor mejora en mínimos del 1%. Estos son resultados increíbles considerando que la única diferencia es un caché más alto.

Para reiterar, no existe un número establecido para la mejor cantidad de caché. Puede no tener prácticamente ningún impacto o marcar una gran diferencia dependiendo de la carga de trabajo. Entonces, simplemente Depende de para qué usarás la CPU..

La mayoría de las CPU de consumo tienen una cantidad estándar de caché de CPU destinada a funcionar para la mayoría de las personas. Cualquiera que sea la CPU que planees adquirir, consulte los puntos de referencia en línea y vea cómo se desempeña en tareas para las que lo usará principalmente.

Si hay opciones similares con caché superior o inferior, consulte también las pruebas comparativas. Luego, decide cuál encajará mejor tus casos de uso.


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About Miriam Sagarzazu Olaizaola

Blogger desde hace más de 5 años, dedicada a la información tecnológica y adicta a Linux. He convertido mi afición por escribir en mi profesión.

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