Bộ nhớ đệm trong CPU là gì? Ứng dụng thực tế của Cache CPU

03-04-2024, 10:19 am

Một thông số chúng ta thường thấy trong các bộ vi xử lý CPU đó là bộ nhớ đệm trong CPU - hay còn gọi là Cache CPU và chúng đóng vai trò quan trọng trong việc tăng tốc độ xử lý của chip xử lý. Vậy, bộ nhớ đệm trong CPU (Cache CPU) là gì và chúng có công dụng ra sao ? Các bạn hãy cùng Máy tính CDC đi vào tìm hiểu chi tiết nhé.

1. Bộ nhớ đệm trong CPU (Cache) là gì ?

Bộ nhớ đệm trong CPU (Cache) là một bộ nhớ nhỏ có tốc độ cao được tích hợp trực tiếp vào CPU. Nó hoạt động như một bộ nhớ tạm thời để lưu trữ dữ liệu và lệnh mà CPU thường xuyên truy cập. Việc sử dụng bộ nhớ đệm giúp tăng tốc độ xử lý của CPU vì CPU có thể truy cập dữ liệu trong bộ nhớ đệm nhanh hơn nhiều so với truy cập dữ liệu trong bộ nhớ chính (RAM).

Bộ nhớ cache CPU được thiết kế để cải thiện hiệu suất hệ thống máy tính bằng cách giảm thời gian CPU truy cập đến dữ liệu ở trong RAM hoặc bộ nhớ lưu trữ ngoài. Hơn nữa, bộ nhớ cache CPU còn được chia thành nhiều level khác nhau, với các kích thước và tốc độ truy cập khác nhau để đem tới sự tối ưu hóa hiệu suất cho bộ vi xử lý.

Xem thêm: Tốc độ xung nhịp CPU là gì? Những điều cần biết về tốc độ CPU

2. Bộ nhớ đệm CPU được chia thành mấy loại ?

Thông thường, bộ nhớ đệm trong CPU được chia thành 3 cấp độ, đó là: L1, L2 và L3. Cache L1 thường là bộ nhớ đệm có tốc độ nhanh nhất nhưng có dung lượng thấp, trong khi Cache L3 có dung lượng cao hơn nhưng có tốc độ thấp hơn. Các bộ nhớ đệm này đóng vai trò giúp giảm thời giậm chậm trễ trong truy xuất dữ liệu từ bộ nhớ RAM và cải thiện hiệu suất máy tính.

Cache L1: Đây là Cache được tích hợp trực tiếp vào nhân CPU và có tốc độ nhanh nhất, dung lượng nhỏ nhất (8-128KB) và có công dụng lưu trữ dữ liệu và lệnh được CPU truy cập thường xuyên nhất. L1 Cache thường được chia thành hai phần: L1 Instruction Cache (lưu trữ lệnh) và L1 Data Cache (lưu trữ dữ liệu).
Cache L2: Đây là Cache nằm giữa L1 Cache và RAM, nằm bên ngoài nhân CPU nhưng vẫn trên cùng chip. Bộ nhớ này có tốc độ chậm hơn L1 nhưng nhanh hơn RAM, dung lượng lớn hơn L1 (256KB-8MB) và thường xuyên được CPU truy cập dữ liệu. L2 Cache cũng được chia thành 2 phần tương tự như L1.
Cache L3: Đây là Cache nằm bên ngoài L2 Cache, có thể nằm trên chip CPU hoặc chip riêng. L3 Cache có tốc độ chậm nhất trong 3 cấp độ nhưng có tốc độ cao nhất trong 3 loại (4-64MB) để lưu trữ nhiều dữ liệu và lệnh hơn, nhưng lại ít được CPU truy cập hơn L1 và L2.

Chúng ta có thể tổng hợp về các loại bộ nhớ đệm trong CPU thành bảng dưới đây:

Cấp độ	Tốc độ	Dung lượng	Vị trí	Công dụng
L1 Cache	Nhanh nhất	Nhỏ nhất	Tích hợp vào nhân CPU	Lưu trữ dữ liệu và lệnh được truy cập thường xuyên nhất
L2 Cache	Chậm hơn L1 Cache	Lớn hơn L1 Cache	Nằm bên ngoài nhân CPU	Lưu trữ dữ liệu và lệnh được truy cập thường xuyên
L3 Cache	Chậm nhất	Lớn nhất	Nằm bên ngoài L2 Cache	Lưu trữ dữ liệu và lệnh được truy cập ít thường xuyên hơn

Ngoài 3 cấp độ chính trên, một số CPU còn có thể có thêm L4 Cache (Level 4 Cache) hoặc các loại Cache khác. Tuy nhiên, L4 Cache thường chỉ được sử dụng trong các hệ thống cao cấp như máy chủ.

3. Công dụng của Cache CPU

Bộ nhớ đệm trong CPU đóng vai trò quan trọng trong việc tăng tốc độ xử lý của máy tính và có nhiều công dụng như sau:

3.1. Tăng tốc độ truy cập dữ liệu

Cache có tốc độ truy cập nhanh hơn nhiều so với RAM, do đó khi CPU cần truy cập dữ liệu, nó sẽ ưu tiên tìm kiếm dữ liệu trong Cache trước. Nếu dữ liệu được tìm thấy trong Cache, CPU sẽ truy cập trực tiếp dữ liệu đó, giúp tiết kiệm thời gian chờ đợi và tăng tốc độ xử lý.

3.2. Giảm tải cho RAM

Cache lưu trữ một lượng dữ liệu nhất định, giúp giảm tải cho RAM. Khi dữ liệu được lưu trữ trong Cache, RAM sẽ có nhiều dung lượng trống hơn để xử lý các dữ liệu khác, giúp tăng hiệu quả hoạt động của hệ thống.

3.3. Tiết kiệm năng lượng

Việc truy cập dữ liệu trong Cache tiêu tốn ít năng lượng hơn so với truy cập dữ liệu trong RAM. Do đó, sử dụng Cache giúp tiết kiệm năng lượng cho máy tính.

3.4. Tăng hiệu quả hoạt động của máy tính

Nhờ những công dụng trên, bộ nhớ đệm trong CPU giúp tăng hiệu quả hoạt động của hệ thống, thể hiện qua:

Tốc độ khởi động ứng dụng nhanh hơn.
Khả năng đa nhiệm tốt hơn.
Trải nghiệm chơi game mượt mà hơn.

4. Cách thức hoạt động của bộ nhớ đệm trong CPU

Cache CPU hoạt động dựa trên nguyên tắc "nhớ trước" (prefetching) và "lưu trữ tạm thời" dữ liệu và lệnh. Bộ nhớ đệm trong CPU hoạt động theo các bước như sau:

4.1. Truy cập dữ liệu

Khi CPU cần truy cập dữ liệu, nó sẽ đầu tiên kiểm tra xem dữ liệu đó có đang được lưu trữ trong Cache hay không. Nếu dữ liệu được tìm thấy trong Cache (gọi là "hit"), CPU sẽ truy cập trực tiếp dữ liệu đó mà không cần phải truy cập RAM.

Nếu dữ liệu không được tìm thấy trong Cache (gọi là "miss"), CPU sẽ truy cập dữ liệu từ RAM và lưu trữ dữ liệu đó vào Cache để truy cập nhanh hơn trong tương lai.

4.2. Lưu trữ dữ liệu

Khi CPU truy cập dữ liệu từ RAM, nó sẽ lưu trữ dữ liệu đó vào Cache để truy cập nhanh hơn trong tương lai. Dữ liệu được lưu trữ trong Cache theo nguyên tắc "cũ nhất trước, mới nhất sau" (FIFO). Khi Cache đầy, dữ liệu cũ nhất sẽ bị xóa để nhường chỗ cho dữ liệu mới.

4.3. Prefetching

Cache CPU sử dụng kỹ thuật "nhớ trước" để dự đoán dữ liệu mà CPU sẽ cần truy cập trong tương lai và tải dữ liệu đó vào Cache trước. Việc prefetch giúp tăng tốc độ truy cập dữ liệu và cải thiện hiệu suất chung của hệ thống.

4.4. Thay thế và cập nhật dữ liệu

Khi Cache đầy, CPU sẽ cần loại bỏ một số dữ liệu để lưu trữ dữ liệu mới. Việc loại bỏ dữ liệu được thực hiện dựa trên thuật toán LRU, nghĩa là dữ liệu ít được sử dụng nhất sẽ bị loại bỏ. Khi dữ liệu trong Cache được cập nhật, CPU cũng sẽ cập nhật dữ liệu tương ứng trong RAM.

5. Dung lượng Cache CPU khoảng bao nhiêu là đủ ?

Dung lượng Cache CPU không có con số cụ thể nào là đủ vì nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố, cũng như là tần suất và nhu cầu sử dụng máy tính của bạn để phục vụ công việc, giải trí thường ngày của bạn.

Đối với nhu cầu cơ bản như sử dụng tin học văn phòng, lướt web, xem phim hay soạn thảo văn bản... thì bộ nhớ đệm trong CPU có dung lượng L3 từ 3-6MB là phù hợp.

Đối với nhu cầu tầm trung như sủ dụng các phần mềm nâng cao, thiết kế hình ảnh, chỉnh sửa video nhẹ hay chơi các tựa game cấu hình nhẹ thì Cache L3 dung lượng từ 8-12MB sẽ đáp ứng đủ nhu cầu của bạn.

Đối với nhu cầu cao cấp, chuyên nghiệp như sử dụng các phần mềm chuyên nghiệp, thiết kế đồ họa nặng hay chơi các tựa game cấu hình cao và hot nhất hiện nay thì dung lượng Cache CPU rơi vào từ 16-30MB sẽ là tốt nhất.

6. Kết luận

Như vậy, bộ nhớ đệm (Cache) là một thành phần quan trọng của CPU giúp tăng tốc độ xử lý của máy tính và qua bài viết này, Máy tính CDC mong rằng chúng tôi đã giúp các bạn hiểu rõ hơn về bộ nhớ đệm trong CPU, cũng như là các loại cache CPU và cách thức hoạt động của chúng.

Nếu các bạn có bất kì câu hỏi hay thắc mắc nào cần được giải đáp và tư vấn về dịch vụ, các bạn hãy nhanh chóng liên hệ với chúng tôi qua Hotline: 0946150066 hoặc Email: Datva@maytinhcdc.vn để được hỗ trợ tốt nhất về dịch vụ này nhé.

Bạn có thể tham khảo:

Công ty Cổ phần Vật tư và Thiết bị văn phòng CDC

Trụ sở chính: C18, Lô 9, KĐTM. Định Công, P. Định Công, Q. Hoàng Mai, TP. Hà Nội

Hotline 1: 0983.366.022 (Hà Nội)

CN.HCM: 51/1 Giải Phóng, Phường 4, Quận Tân Bình, TP Hồ Chí Minh

Hotline 2: 0904.672.691 (TP.HCM)

Website: maytinhcdc.vn

Facebook: https://www.facebook.com/maytinhcdc.vn/