CPU कैश कैसे काम करता है और L1, L2 और L3 क्या हैं?

• प्रौद्योगिकी समझाया

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कंप्यूटर प्रोसेसर पिछले कुछ वर्षों में काफी उन्नत हुए हैं, हर साल ट्रांजिस्टर का आकार छोटा होता जा रहा है, और उन्नति उस बिंदु पर पहुंच रही है, जहां मूर का नियम जल्दी से निरर्थक हो रहा है।

जब प्रोसेसर की बात आती है, तो यह केवल ट्रांजिस्टर और आवृत्तियों की गिनती नहीं है, बल्कि कैश भी है।

आपने कैश मेमोरी के बारे में सुना होगा जब सीपीयू (सेंट्रल प्रोसेसिंग यूनिट्स) पर चर्चा की जा रही है। हालाँकि, हम इन नंबरों पर बहुत अधिक ध्यान नहीं देते हैं, न ही ये वास्तव में इन सीपीयू के विज्ञापनों का मुख्य आकर्षण हैं।

तो सीपीयू कैश कितना महत्वपूर्ण है, और यह कैसे काम करता है?

सीपीयू कैश क्या है?

इसे सीधे शब्दों में कहें, तो एक कैश वास्तव में बहुत तेज़ प्रकार की मेमोरी है। जैसा कि आप जानते होंगे कि कंप्यूटर के अंदर कई तरह की मेमोरी होती है। हार्ड डिस्क या एसएसडी की तरह एक प्राथमिक भंडारण होता है, जो डेटा के थोक-ऑपरेटिंग सिस्टम और सभी कार्यक्रमों को संग्रहीत करता है।

अगला, हमारे पास रैंडम एक्सेस मेमोरी है, जिसे आमतौर पर रैम के रूप में जाना जाता है। यह प्राथमिक भंडारण की तुलना में बहुत तेज है।

अंत में, सीपीयू की मेमोरी अपने आप में और भी तेज होती है, जिसे हम कैश के रूप में जानते हैं।

कंप्यूटर में मेमोरी की गति के आधार पर एक पदानुक्रम है, और कैश इस पदानुक्रम के शीर्ष पर खड़ा है, सबसे तेज़ है। यह सेंट्रल प्रोसेसिंग के सीपीयू का एक हिस्सा होने के साथ ही सबसे नजदीक भी है।

सिस्टम रैम की तुलना में कैश एक स्टेटिक रैम (SRAM) है, जो एक डायनामिक रैम (DRAM) है। स्टैटिक रैम वह है जो DRAM के विपरीत, लगातार रिफ्रेश किए बिना डेटा को होल्ड कर सकता है, जो SRAM को कैश के लिए आदर्श बनाता है।

सीपीयू कैश कैसे काम करता है?

जैसा कि आप पहले से ही जानते हैं, सीपीयू द्वारा चलाए जाने के लिए एक प्रोग्राम को निर्देशों के एक सेट के रूप में डिज़ाइन किया गया है। जब आप कोई प्रोग्राम चलाते हैं, तो इन निर्देशों को प्राथमिक भंडारण से सीपीयू तक पहुंचाना होता है। यह वह जगह है जहाँ स्मृति पदानुक्रम खेल में आती है।

डेटा पहले रैम में लोड हो जाता है और फिर सीपीयू में भेजा जाता है। इन दिनों सीपीयू प्रति सेकंड एक विशाल संख्या में निर्देशों को पूरा करने में सक्षम हैं। अपनी शक्ति का पूरा उपयोग करने के लिए, सीपीयू को सुपरफास्ट मेमोरी तक पहुंच की आवश्यकता होती है। यह वह जगह है जहां कैश आता है।

रैम से डेटा लेने और कैश में भेजने का काम मेमोरी कंट्रोलर करता है। आपके सिस्टम में कौन सा CPU है, इस पर निर्भर करते हुए, यह नियंत्रक या तो नॉर्थ ब्रिज चिपसेट पर मदरबोर्ड पर या फिर CPU के अंदर हो सकता है।

कैश तब सीपीयू के भीतर डेटा के आगे और पीछे ले जाता है। मेमोरी का पदानुक्रम कैश के भीतर भी मौजूद है।

(यदि आप यह जानने में रुचि रखते हैं कि सीपीयू स्वयं कैसे काम करता है, तो सीपीयू की मूल बातें बताते हुए हमारे लेख की जांच करें कि सीपीयू क्या है और यह क्या करता है? एक सीपीयू क्या है और यह क्या करता है? गणना करने वाले योगाभ्यास भ्रमित करने वाले हैं। सीपीयू वैसे भी? और क्या मुझे क्वाड या डुअल-कोर प्रोसेसर की जरूरत है? कैसे एएमडी या इंटेल के बारे में? हम यहां अंतर की व्याख्या करने में मदद करने के लिए हैं! और पढ़ें।)

कैश के स्तर: एल 1, एल 2, और एल 3

CPU कैश को तीन मुख्य 'Levels', L1, L2 और L3 में विभाजित किया गया है। यहां पदानुक्रम फिर से गति के अनुसार है, और इस प्रकार, कैश का आकार।

L1 (स्तर 1) कैश सबसे तेज मेमोरी है जो कंप्यूटर सिस्टम में मौजूद है। उपयोग की प्राथमिकता के संदर्भ में, L1 कैश में एक निश्चित कार्य को पूरा करते समय सीपीयू को डेटा की आवश्यकता होती है।

जहां तक ​​आकार जाता है, L1 कैश आमतौर पर 256KB तक जाता है। हालांकि, कुछ वास्तव में शक्तिशाली सीपीयू अब इसे 1 एमबी के करीब ले जा रहे हैं। कुछ सर्वर चिपसेट (जैसे इंटेल के टॉप-एंड एक्सॉन सीपीयू) अब 1-2 एमबी के एल 1 कैश के बीच कहीं हैं।

एल 1 कैश को भी आमतौर पर इंस्ट्रक्शन कैश और डेटा कैश में दो तरीकों से विभाजित किया जाता है। निर्देश कैश सीपीयू द्वारा किए जाने वाले ऑपरेशन के बारे में जानकारी से संबंधित है, जबकि डेटा कैश उस डेटा को धारण करता है जिस पर ऑपरेशन किया जाना है।

L2 (स्तर 2) कैश L1 कैश की तुलना में धीमा है, लेकिन आकार में बड़ा है। इसका आकार आम तौर पर 256KB से 8MB के बीच भिन्न होता है, हालांकि नए, शक्तिशाली सीपीयू उस अतीत में जाते हैं। L2 कैश वह डेटा रखता है जो अगले CPU द्वारा एक्सेस किए जाने की संभावना है। अधिकांश आधुनिक सीपीयू में, एल 1 और एल 2 कैश सीपीयू कोर पर स्वयं मौजूद होते हैं, प्रत्येक कोर को अपना कैश मिलता है।

L3 (स्तर 3) कैश सबसे बड़ी कैश मेमोरी यूनिट है, और सबसे धीमी भी। यह 4MB से लेकर 50MB के ऊपर तक हो सकता है। आधुनिक CPU में L3 कैश के लिए CPU डाई पर जगह समर्पित है, और यह अंतरिक्ष का एक बड़ा हिस्सा लेता है।

कैश हिट या मिस एंड लेटेंसी

रैम से डेटा L3 कैश तक जाता है, फिर L2 और अंत में L1। जब प्रोसेसर किसी ऑपरेशन को करने के लिए डेटा की तलाश में होता है, तो वह पहले इसे L1 कैश में खोजने की कोशिश करता है। यदि सीपीयू इसे खोजने में सक्षम है, तो स्थिति को कैश हिट कहा जाता है। यह तब L2 में इसे खोजने के लिए आगे बढ़ता है, और फिर L3।

यदि यह डेटा नहीं ढूंढता है, तो यह इसे मुख्य मेमोरी से एक्सेस करने की कोशिश करता है। इसे कैश मिस कहा जाता है।

अब, जैसा कि हम जानते हैं, कैश को मुख्य मेमोरी और सीपीयू के बीच जानकारी के पीछे और आगे की गति के लिए डिज़ाइन किया गया है। मेमोरी से डेटा एक्सेस करने के लिए आवश्यक समय को लेटेंसी कहा जाता है। L1 में सबसे कम विलंबता है, सबसे तेज और कोर के सबसे करीब है, और L3 में सबसे अधिक है। कैश मिस होने पर विलंबता बहुत बढ़ जाती है। ऐसा इसलिए है क्योंकि CPU को मुख्य मेमोरी से डेटा प्राप्त करना होता है।

जैसे-जैसे कंप्यूटर तेज और बेहतर होते जाते हैं, हम विलंबता में कमी देख रहे हैं। हमारे पास अब कम विलंबता DDR4 रैम है, और प्राथमिक भंडारण के रूप में कम पहुंच के समय के साथ सुपर फास्ट एसएसडी है, दोनों में समग्र विलंबता में काफी कमी आई है। यदि आप राम के बारे में अधिक जानना चाहते हैं, तो राम के लिए हमारी त्वरित और गंदी मार्गदर्शिका है राम के लिए एक त्वरित और गंदी मार्गदर्शिका: आपको राम को क्या जानने की आवश्यकता है हर कंप्यूटर का घटक, लेकिन यह भ्रामक हो सकता है। हम इसे आसानी से समझ में आने वाली शर्तों को तोड़ देंगे। अधिक पढ़ें ।

इससे पहले, कैश डिज़ाइन में सीपीयू के बाहर L2 और L3 कैश होते थे, जो विलंबता पर नकारात्मक प्रभाव डालते थे।

हालांकि, सीपीयू ट्रांजिस्टर से संबंधित निर्माण प्रक्रियाओं में प्रगति ने अरबों ट्रांजिस्टर को पहले की तुलना में कम जगह में फिट करना संभव बना दिया है। नतीजतन, कैश के लिए अधिक जगह बची है, जो कैश को संभव के रूप में कोर के करीब होने देता है, काफी विलंबता को कम करता है।

कैशे का भविष्य

कैश डिजाइन हमेशा विकसित हो रहा है, विशेष रूप से स्मृति सस्ता, तेज और सघन हो जाती है। इंटेल और एएमडी ने कैश डिजाइन के साथ प्रयोग का अपना उचित हिस्सा लिया है, इंटेल ने भी एल 4 कैश के साथ प्रयोग किया है। सीपीयू बाजार अब पहले से कहीं ज्यादा तेजी से आगे बढ़ रहा है।

इसके साथ, हम यह देखते हैं कि कैश डिजाइन सीपीयू की बढ़ती शक्ति के साथ बना रहे।

इसके अतिरिक्त, आधुनिक कंप्यूटरों में आने वाली अड़चनों को काटने के लिए बहुत कुछ किया जा रहा है। मेमोरी लेटेंसी कम करना शायद इसका सबसे बड़ा हिस्सा है। उद्योग उसी के समाधान की दिशा में काम कर रहा है, और भविष्य वास्तव में आशाजनक है।

आपने Intel Optane के बारे में भी सुना होगा, जिसका उपयोग एक हाइब्रिड बाहरी कैश के रूप में किया जा सकता है। यदि आप नहीं करते हैं, तो हमारे लेख को देखें कि इंटेल ऑप्टाने के संभावित अनुप्रयोगों की खोज इंटेल ऑप्टाने मेमोरी सस्ता डीडीआर 3 रैम है? क्या इंटेल ऑप्टेन मेमोरी सस्ता DDR3 रैम है? आश्चर्य है कि इंटेल की ऑप्टेन मेमोरी क्या है? क्या यह सस्ता रैम है, या कुछ और है? यहां आपको जानना आवश्यक है। अधिक पढ़ें ।

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