CPU メモリキャッシュはどのように機能しますか?

1980年代、コンピュータプロセッサはますます高速化しましたが、メモリアクセス時間は停滞し、さらなるパフォーマンスの向上を阻んでいました。メモリアクセスを高速化し、システム全体の動作効率を向上させるために、何らかの対策を講じる必要がありました。

計算速度とメモリ速度の乖離が、最終的にプロセッサキャッシュの開発につながりました。キャッシュとは、基本的に高速なメモリの一種です。キャッシュには、コンピュータが特定のタスクを実行する際に次に必要になる可能性が最も高い命令が格納された小さなメモリ領域が含まれています。

システムは複雑なアルゴリズムを用いてこの情報をキャッシュにロードします。キャッシュシステムの主な目的は、プロセッサが必要なデータに正しい順序で即座にアクセスできるようにすることです。

さらに読む:ゲームに最適なCPU

Der Cache は、詳細なデータを取得し、Prozessor の利点を確認し、豊富な情報を得ることができます。 CPU-Z に関するツールは、さまざまなキャッシュレベルを確認できます。 — キャッシュは、プロセッサが必要なデータを迅速かつ正しい順序で受信することを保証します。CPU-Zなどのツールでは、さまざまなキャッシュレベルとその容量が明確にリストされています。

メモリの仕組みを理解するには、まずPCが3種類のメモリで動作していることを知っておく必要があります。1つ目はハードディスク（HDD）またはSSD（ソリッドステートディスク）の形をとる主記憶です。これは最も容量の大きいメモリです。2つ目はメインメモリ（RAM）です。これは主記憶よりもはるかに高速ですが、容量は主記憶よりも小さくなります。

最後に、プロセッサ内にはキャッシュと呼ばれるメモリがあります。これは最も高速に動作するメモリです。プログラムは起動するとすぐに、ソフトウェアコード内に含まれる一連のコマンドを実行します。プログラムはまずこれらのコマンドをRAMに読み込み、そこからCPUに転送します。これらの命令を可能な限り高速に実行するには、プロセッサは非常に高速なメモリを必要とします。ここでキャッシュが重要な役割を果たします。

CPU キャッシュを大幅に削減し、システムの設計を効率化します。 Deshalb は、レベルの機能を理解するための情報を提供します。 — CPUキャッシュはシステム全体の動作効率に大きな影響を与えます。そのため、各レベルがどのように機能するかを理解しておく必要があります。

キャッシュは、プロセッサ上に直接配置される一時的なデータストアです。頻繁に要求されるデータビットを高速に取得できるように保持することで、プロセッサの処理効率を向上させます。

キャッシュメモリは、L1、L2、L3、そして場合によってはL4と呼ばれる異なるレベルで構成されており、位置、速度、サイズが異なります。キャッシュメモリは非常に高速で、プロセッサコアに可能な限り近い位置に配置されています。現代の高速CPUは、比較的低速なシステムメモリ（RAM）からのデータ要求によって速度が低下することはありません。代わりに、キャッシュからデータを取得できます。

L1キャッシュ（プライマリキャッシュとも呼ばれる）は、最小かつ最速のメモリレベルです。通常、コアあたり64KBで、例えばクアッドコアCPUでは合計256KBになります。

AMD CPU — CPUには通常3つのキャッシュメモリレベルがあります。CPUアーキテクチャの重要な要素ではあるものの、新規購入時には特に重視されません。

AMD

L2キャッシュは、CPUの各コアに内蔵されている二次メモリキャッシュです。L2キャッシュは、ほとんどの場合L1キャッシュよりもメモリ容量が大きく、動作速度は低速ですが、それでもメインシステムメモリよりは大幅に高速です。一部のハイエンドプロセッサではL2キャッシュの容量は合計32MBですが、平均は6～12MBです。

さて、3つ目のキャッシュについてです。各CPUコアに組み込まれたL1キャッシュとL2キャッシュとは異なり、L3キャッシュはプロセッサ全体からアクセスできる共有メモリプールとして機能します。L1キャッシュとL2キャッシュよりもはるかに低速で、通常はRAMの2倍程度しか高速ではありません。同時に、3つのメモリレベルの中で最も大きいキャッシュです。CPUが必要なデータをキャッシュメモリで見つけられない場合、代わりに低速なシステムメモリにデータを要求する必要があります。これをキャッシュミスと呼びます。

キャッシュを手動でクリアできるかどうかという質問についてですが、基本的に、システムキャッシュやブラウザキャッシュなど、クリアまたはフラッシュできるメモリキャッシュがあります。しかし、CPUキャッシュメモリはアクティブに削除することはできません。その理由は、CPUキャッシュメモリは揮発性メモリであるため、その内容を長期的に保持できないからです。

コンピューターの電源を切るとすぐに、プロセッサのキャッシュメモリの内容は失われます。ほとんどのメモリと同様に、CPUのキャッシュメモリが大きいほど性能が向上します。キャッシュメモリはアップグレードできないため、選択するプロセッサに十分なメモリが搭載されていることが重要です。

しかし、それはコンピューターで何をするかによって異なります。同時に、CPUのこの1つの機能にあまり重点を置きすぎないようにしてください。CPUのパフォーマンスには、クロック速度、コア数、スレッド数など、他の要素の方が大きく影響します。

インテル

L1キャッシュの適切なベース容量は、コアあたり64KBです。これは、CPUのコア数で総容量を割ることで算出できます。コアあたり256KBのL2キャッシュでも十分ですが、ゲーマーにとってはコアあたり512KBのほうがメリットがあるかもしれません。また、L3キャッシュは32MBから96MBの範囲であれば、ほとんどの用途で十分です。

まとめると、キャッシュメモリは現代のCPUに欠かせない要素です。L1、L2、L3の違いは一見複雑に思えますが、コンピューターの効率とパフォーマンスを最大限に高めるのに役立ちます。CPUの購入を検討している場合は、キャッシュをプロセッサアーキテクチャの重要な要素として検討することをお勧めします。

この記事はドイツ語から英語に翻訳され、元々はpcwelt.deに掲載されていました。