CPU cache- Bộ nhớ đệm CPU là gì ?

Một trong các chỉ số của một bộ vi xử lý trung tâm – thường được gọi là CPU cache hay bộ nhớ đệm CPU. Tuy nhiên thì rất ít người quan tâm tới chỉ số này.
Vậy CPU cache là gì ? Nó có tác dụng ra sao đối với CPU nói riêng và sức mạnh chiếc máy tính của bạn nói chung ?
Bài viết này sẽ giải đáp một cách đơn giản nhưng đầy đủ cho các bạn.

1. CPU cache – Bộ nhớ đệm CPU là gì ?

Để tìm hiểu CPU cache là gì , đầu tiên bạn cần biết cách tìm thông số chi tiết của một CPU. Thực ra việc này cực kỳ đơn giản, bạn chỉ cần gõ vào google chính xác mã CPU bạn đang dùng hay dự tính mua là xong. Ví dụ khi gõ i5-1135G7 bạn sẽ thấy ngay các đường link thông tin về con chip TigerLake này và click vào.

Tại trang hãng của nhà sản xuất Intel, bạn sẽ thấy ngay bảng chỉ số về CPU. Dưới đó có một dòng thông tin là CPU cache hay dịch ra thường là bộ nhớ đệm CPU.

Bộ nhớ đệm CPU là một bộ nhớ phụ nhỏ, lưu trữ các lệnh mà CPU cần xử lý. Bao gồm tất cả các hành động, thao tác bạn thường thực hiện. Đơn giản hóa thì nó lưu trữ list danh sách các việc CPU cần làm lần lượt dựa trên các lệnh bạn đưa ra thông qua các thao tác. Từ một click, mở một file, ấn nút bắn trong một game bắn súng…Từ nhỏ tới lớn, mọi hành động liên tục của bạn sẽ được sắp xếp để chạy mà không bị lẫn lộn.

2. Bộ nhớ đệm CPU có quan trọng không ?

Khi CPU cần đọc hay viết vào bộ nhớ chính, nó sẽ tìm trong bộ nhớ cache trước. Sau đó thực hiện theo danh sách, vì vậy việc đọc hay viết dữ liệu vào Bộ nhớ đệm CPU ngay lập tức sẽ nhanh hơn nhiều so với đọc hay viết vào bộ nhớ chính

Bộ nhớ đệm CPU là một thông tin mà bạn ít khi quan tâm. Đơn giản là bởi vì các hành động, thao tác thông thường của bạn quá ít và quá đơn giản nên CPU hầu như có thể đáp ứng thực hiện ngay lập tức. Có thể nói là đầu ra ( khả năng xử lý của CPU ) lớn hơn nhiều so với đầu vào ( các lệnh, yêu cầu của bạn).

Điều này xảy ra vì công nghệ ngày càng phát triển, CPU ngày càng mạnh mẽ với tốc độ xử lý cực cao , lại có thể xử lý nhiều công việc cùng lúc với nhiều nhân và luồng. Trong khi đó công việc một người bình thường làm văn phòng, chơi game hầu hết lại chỉ dừng ở mức đơn giản. Nên bạn không mấy quan tâm về CPU cache.
Nhưng trong quá khứ hoặc nếu bạn chạy các tác vụ nặng hơn mức cấu hình máy có thể đáp ứng tốt thì CPU cache sẽ rất quan trọng.
Trước kia, nhất là với những người thuộc thế hệ 8x đổ về, hẳn đã trải qua thời kỳ máy tính chỉ có 1 nhân 2 luồng hay chỉ 1 nhân 1 luồng, đồng thời tốc độ CPU rất chậm. Khi đó một loạt thao tác của bạn trên máy tính sẽ dẫn tới hiện tượng được gọi là đơ – lag. Máy gần như treo, chạy rất chậm, bạn vội vàng f5 màn hình hay cố gắng click thêm để mở được file mình cần mà không biết rằng hành động đó càng làm mình phải chờ lâu hơn.

Tới hiện tại ở 1 số máy tính – laptop vẫn xảy ra trường hợp này. Thực chất, tất cả các hành động của bạn đã được ghi lại thông qua Bộ nhớ đệm CPU thành một danh sách. CPU sẽ lần lượt thực hiện các yêu cầu này cho tới khi hết. Hãy tưởng tượng như bạn chơi một game nhà hàng – nấu ăn vậy, từng vị khách bước vào có các yêu cầu khác nhau và bạn sẽ phải thực hiện lần lượt để qua bài.
Vậy nếu bạn bị rối không biết thực hiện cái nào trước , cái nào sau thì sao : bạn sẽ thua màn chơi đó. Còn với máy tính thì sẽ là rối loạn toàn bộ, đơ máy hoàn toàn, khởi động lại. Hoặc thực hiện một cách lung tung các yêu cầu. Thay vì hiện tin nhắn bạn gõ để trả lời giáo viên,  mở file word, sau đó mở file exel, rồi chạy nhạc thì có thể lại là chạy nhạc trước làm một loạt các hành động khác trước rồi mới trả lời giáo viên. Nói cách khác, thứ tự ưu tiên sẽ không đúng yêu cầu của bạn mà hoạt động hỗn loạn. Điều này sẽ thật điên rồ.

3. Các loại CPU cache

Có 3 loại Bộ nhớ đệm CPU chính  lần lượt là L1 – L2 – L3 trên hầu hết các máy tính. Nhất là với máy tính để bàn hay server. 3 bộ nhớ đệm này lần lượt có tác dụng gồm :

• Một bộ nhớ giúp tăng tốc độ xử lý
• Một bộ cache tăng tốc độ nhận và lưu dữ liệu
• TLB có tác dụng tăng tốc độ chuyển từ địa chỉ ảo thành địa chỉ thật và chỉ dẫn cách xử lý dữ liệu đầu vào. TLB cache có thể coi là 1 phần của MMU và không thực sự liên quan trực tiếp với CPU cache

4. Phương thức hoạt động

Để dễ hiểu về cách hoạt động của Bộ nhớ đệm CPU bạn hãy xem hình dưới đây.

Khi bạn thực hiện 1 hành động , bắt đầu từ thao tác chuột, bàn phím rồi có thể tác động cả lên ổ cứng ( ví dụ copy, paste, xóa 1 file ) , thông tin từ ram … tất cả những chuỗi yêu cầu cần xử lý này sẽ được đưa vào L3 Cache. Sau đó L2 lại lấy thông tin từ L3 và L1 lấy thông tin từ L1. Sau đó CPU sẽ xử lý.
Hãy hiểu 2 hay 3 lớp Bộ nhớ đệm CPU như là các phần luồng , phân loại thông tin để biết thông tin nào cần ưu tiên xử  lý trước, thông tin nào ưu tiên xử lý sau, các thông tin nào cần đồng thời xử lý. Rất nhiều việc cần diễn ra xong xong. Giống như khi bạn cut 1 file từ ổ này sang ổ khác , đồng thời sẽ vừa phải chuyển dữ liệu sang ổ mới, vừa xóa dữ liệu ở vị trí cũ…

Dữ liệu được chuyển giữa bộ nhớ chính và cache theo từng khối cố định kích cỡ, gọi là cache lines. Khi một cache line được  sao chép từ bộ nhớ chính vào cache thì một cache entry được tạo ra. Nó sẽ bao gồm cả dữ liệu được sao chép và vị trí của dữ liệu yêu cầu (gọi là 1 tag).

Khi bộ xử lý cần đọc hay viết một vị trí trong bộ nhớ chính, nó sẽ tìm entry tương ứng trong cache đầu tiên. Cache sẽ kiểm tra nội dung của vị trí dữ liệu yêu cầu trong bất cứ cache line nào có thể có địa chỉ. Nếu bộ xử lý tìm thấy vị trí dữ liệu trong cache, một cache hit đã xảy ra. Tuy nhiên, nếu bộ xử lý không tìm thấy được vị trí dữ liệu trong cache, thì một cache miss đã xảy ra. Trong trường hợp cache hit, bộ xử lý đọc hoặc viết dữ liệu vào cache line ngay lập tức. Còn nếu là cache miss, cache sẽ tạo một entry mới và sao chép dữ liệu từ bộ nhớ chính, sau đó yêu cầu được đáp ứng từ nội dung của cache.

Quá trình hoạt động này diễn ra vô cùng nhanh, người dùng sẽ không thể cảm nhận gì. Trừ khi rơi vào trường hợp đơ – lag như đã nói phía trên. Lúc này người dùng có thể thấy từng hành động của mình trước đó được xử lý cho tới khi hết hẳn thì tốc độ CPU trở lại bình thường.

6. Dung lượng của cache là bao nhiêu

Tùy vào đời và nguyên mẫu CPU khác nhau mà chỉ số bộ nhớ đệm, số lượng bộ nhớ đệm có sự khác nhau. Nhưng thường L1 sẽ ít hơn hẳn. Thường chỉ từ 8-32Kb trong khi đó L2 và L3 thường có thể đạt 6-12MB với các mẫu CPU đời mới vài năm trở lại đây. Ví dụ như mẫu chip I7-1185G7 trên Surface Pro 8 có Bộ nhớ đệm CPU tới 12Mb

Bài viết này tóm lược  khá đơn giản về bộ nhớ đệm CPU. Nếu cần thêm các thông tin bạn có thể theo dõi trên fanpage LapCity để biết được khi có bài viết chi tiết hơn