حققت معالجات الكمبيوتر تقدمًا كبيرًا في السنوات الأخيرة. تصبح الترانزستورات أصغر وأفضل كل عام ، مما ينتج عنه معالجات أكثر قوة. ولكن عندما يتعلق الأمر بالمعالج ، بصرف النظر عن مناقشة الترانزستورات والترددات ، يجب أن نذكر أيضًا أهمية ذاكرة التخزين المؤقت للمعالج ، والتي تلعب دورًا مهمًا.

إذا نظرت إلى مواصفات المعالجات ، يمكنك رؤية حجم ذاكرة التخزين  للمعالج ، لكن معظم المستخدمين لا يهتمون كثيرًا بهذا الجزء المهم. على أي حال ، سنناقش في هذه المقالة أهمية ذاكرة التخزين للمعالج وكيفية عملها.

ما هي ذاكرة التخزين المؤقت للمعالج؟

بكلمات بسيطة ، تعد ذاكرة التخزين للمعالج نوعًا سريعًا جدًا من الذاكرة. منذ سنوات ، كانت سرعة المعالج وذاكرة التخزين منخفضة جدًا. ومع ذلك ، في الثمانينيات ، زادت سرعة المعالجات بشكل كبير. في ذلك الوقت ، لم تستطع ذاكرة RAM مواكبة الزيادة في سرعة المعالج ، وبالتالي ظهر نوع جديد من الذاكرة يسمى ذاكرة التخزين المؤقت للمعالج.

تستخدم أجهزة الكمبيوتر اليوم عدة أنواع من الذاكرة. بادئ ذي بدء ، نحن نتعامل مع الذاكرة الرئيسية ، والتي عادة ما تكون على شكل قرص صلب أو SSD ، وهي مسؤولة عن تخزين البيانات. ثم يجب أن نشير إلى ذاكرة الوصول العشوائي التي تسمى RAM. هذه الأنواع من الذكريات أسرع بكثير ولكنها مجرد وسيلة تخزين قصيرة المدى. تضع أجهزة الكمبيوتر والبرامج باستمرار جميع أنواع البيانات على ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) حتى يتمكنوا من أداء مهامهم بسرعة عالية.

أخيرًا ، يجب أن نذكر ذاكرة التخزين المؤقت في المعالج. تعمل أنواع الذكريات في الكمبيوتر وفقًا لنوع من التسلسل الهرمي بناءً على السرعة. توجد ذاكرة التخزين المؤقت للمعالج في الجزء العلوي من هذا التسلسل الهرمي نظرًا لامتلاكها أسرع سرعة. وتجدر الإشارة إلى أن هناك أنواعًا مختلفة من ذاكرة المؤقت للمعالج.

تعتبر ذاكرة التخزين المؤقت نوعًا من ذاكرة الوصول العشوائي الثابتة ، لكن ذاكرة RAM في النظام تُعرف باسم Dynamic RAM. يمكن لذاكرة الوصول العشوائي الثابتة الاحتفاظ بالبيانات دون الحاجة إلى مراجعة مستمرة ، وبالتالي ، على عكس ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية ، فهي خيار مثالي لأداء مهمة ذاكرة التخزين المؤقت.

كيف تعمل ذاكرة التخزين المؤقت لوحدة المعالجة المركزية؟

تزود البرامج الموجودة على جهاز الكمبيوتر المعالج بمجموعة من التعليمات للتفسير والتنفيذ. عند فتح برنامج ، تنتقل التعليمات من الذاكرة الرئيسية إلى المعالج.

يتم تحميل البيانات أولاً في ذاكرة الوصول العشوائي ثم تشق طريقها إلى المعالج. تنفذ المعالجات الحديثة ملايين التعليمات في الثانية. تحتاج المعالجات إلى ذاكرة سريعة جدًا لاستخدام قوتها الكاملة ، وفي هذه الحالة ، يتم استخدام ذاكرة التخزين المؤقت.

تأخذ وحدة التحكم في الذاكرة البيانات من ذاكرة الوصول العشوائي وتوفرها إلى ذاكرة التخزين المؤقت للمعالج. تحتوي بعض المعالجات على وحدة التحكم هذه ، وإذا لم يكن لديها هذه الميزة ، فإن مجموعة الشرائح التي تسمى North Bridge ، والموجودة على اللوحة الأم ، تتولى هذه المهمة. وتجدر الإشارة إلى أن هناك أيضًا تسلسل هرمي للذاكرة داخل ذاكرة التخزين المؤقت للمعالج.

مستويات ذاكرة التخزين المؤقت للمعالج ؛ L1 و L2 و L3

تتكون ذاكرة التخزين للمعالج من ثلاثة مستويات تسمى L1 و L2 و L3. في هذا القسم ، يعتمد التسلسل الهرمي على سرعة هذه المستويات وقدرتها. ولكن ما هو الفرق بين كل من هذه المستويات وماذا يفعلون؟

ذاكرة تخزين مؤقت من المستوى الأول ( L1 )

ذاكرة التخزين المؤقت من المستوى الأول هي أسرع ذاكرة في الكمبيوتر. من حيث أولوية الوصول ، تحتوي ذاكرة التخزين المؤقت L1 على البيانات التي من المرجح أن يحتاجها المعالج أثناء إكمال مهمة معينة.

تعتمد سعة ذاكرة التخزين المؤقت L1 على المعالج. تصل سعة ذاكرة التخزين L1 لبعض المعالجات الأكثر تقدمًا في العالم إلى 1 ميجابايت ، على سبيل المثال ، يمكننا أن نذكر معالج Intel i9-9980XE. تحتوي بعض المعالجات الخاصة بالخوادم ، مثل سلسلة Xeon من Intel ، على ذاكرة تخزين مؤقت L1 بسعة 1 إلى 2 ميجابايت.

فيما يتعلق بسعة ذاكرة التخزين المؤقت L1 ، لا يوجد معيار ، وبالتالي من الأفضل التحقق من مواصفاته قبل شراء معالج لمعرفة سعة ذاكرة التخزين المؤقت L1. تنقسم ذاكرة التخزين المؤقت L1 عادةً إلى جزأين: ذاكرة التخزين المؤقت المخفية وذاكرة التخزين المؤقت للبيانات. تتعامل ذاكرة التخزين المؤقت المخفية مع المعلومات المتعلقة بالعملية التي يجب أن يقوم بها المعالج ، بينما تحتفظ ذاكرة المؤقت للبيانات بالبيانات التي يجب تنفيذ العملية عليها.

مخبأ من المستوى الثاني ( L2 )

ذاكرة التخزين المؤقت من المستوى الثاني أبطأ من L1 ، لكنها تستخدم سعة أكبر. على سبيل المثال ، يمكننا أن نذكر معالج AMD Ryzen 5 5600X الشهير ، والذي يستخدم 384 كيلوبايت من ذاكرة التخزين المؤقت L1 و 3 ميجابايت من ذاكرة التخزين المؤقت L2. كما أن سعة ذاكرة المؤقت L3 لهذا المعالج تصل إلى 32 ميجابايت.

تعتمد سعة التخزين المؤقت L2 أيضًا على المعالج نفسه ، ولكنها تتراوح عادةً بين 256 كيلوبايت و 8 ميجابايت. من حيث السرعة ، كما قلنا ، فهي أبطأ من L1 ، لكنها لا تزال أسرع بكثير من ذاكرة الوصول العشوائي للنظام. في المتوسط ​​، تكون ذاكرة التخزين المؤقت L1 أسرع بحوالي 100 مرة من ذاكرة الوصول العشوائي ، و L2 أسرع بحوالي 25 مرة من ذاكرة الوصول العشوائي.

مخبأ من المستوى الثالث ( L3 )

الآن علينا الانتقال إلى المستوى الأخير من ذاكرة للمعالج ، المستوى الثالث من ذاكرة المؤقت. منذ سنوات ، عندما كان لمعظم المعالجات نواة معالجة واحدة فقط ، كانت ذاكرة التخزين المؤقت L3 موجودة على اللوحة الأم. ولكن الآن يمكن أن يكون لذاكرة التخزين المؤقت L3 في المعالجات سعة عالية ، وتستخدم بعض المعالجات المتطورة ذاكرة التخزين المؤقت L3 بسعة 32 ميجابايت. تذهب بعض معالجات الخوادم إلى أبعد من ذلك وتقوم بذاكرة تخزين مؤقت L3 بسعة 64 ميجابايت.

L3 cache ، على الرغم من أنها تعتبر أكبر ذاكرة تخزين مؤقت ، إلا أنها من ناحية أخرى تتميز بأقل سرعة. أيضًا ، على الرغم من أن ذاكرة التخزين المؤقت L1 و L2 مخصصة لكل نواة معالجة ، فإن ذاكرة التخزين المؤقت L3 تشبه نوعًا عامًا من الذاكرة يمكن لمجموعة الشرائح بأكملها استخدامها.

على سبيل المثال ، في الصورة أدناه ، يمكنك رؤية سعة ذاكرة التخزين المؤقت Intel Core i5-3570K.

في هذه الصورة ، يمكنك أن ترى أن ذاكرة التخزين المؤقت L1 مقسمة إلى جزأين وأن L2 و L3 تستخدمان سعة أكبر على التوالي.

ما مقدار ذاكرة التخزين المؤقت للمعالج التي نحتاجها؟

بشكل عام ، كلما زادت سعة هذه الأنواع من الذكريات ، كان ذلك أفضل. عادةً ما تستخدم المعالجات الجديدة سعة أكبر من الأجيال القديمة لمستويات مختلفة من ذاكرة التخزين المؤقت ، وفي نفس الوقت تحقق سرعة أعلى. عند شراء معالج أو كمبيوتر محمول ، من الأفضل الانتباه إلى مقارنة أجزاء أخرى من المعالج حتى تتمكن من الاختيار الأفضل.

كيف تنتقل البيانات بين المستويات المختلفة لذاكرة التخزين المؤقت للمعالج؟

بلغة بسيطة للغاية ، تنتقل البيانات من ذاكرة الوصول العشوائي أولاً إلى ذاكرة التخزين المؤقت L3 ، ثم L2 وأخيراً L1. عندما يريد المعالج القيام بشيء ما ، فإنه يبحث أولاً عن البيانات الموجودة في التخزين المؤقت L1 ؛ إذا لم تتمكن من العثور عليها ، فستتكرر هذه العملية لـ L2 و L3.

إذا لم يعثر المعالج على البيانات الضرورية في مستويات مختلفة من ذاكرته المؤقتة ، فإنه يحاول الوصول إليها من خلال ذاكرة RAM. كما نعلم ، تم تصميم التخزين المؤقت لتسريع عملية تبادل المعلومات بين الذاكرة الرئيسية والمعالج. يُطلق على الوقت المطلوب للوصول إلى البيانات الموجودة في الذكريات المختلفة اسم Latency.

نظرًا لحقيقة أن ذاكرة التخزين المؤقت L1 تستخدم أعلى سرعة وهي أقرب ذاكرة إلى قلب المعالجة ، فإنها تحتوي على أقل تأخير وذاكرة التخزين المؤقت L3 لديها أعلى تأخير. يزداد هذا التأخير عندما يتعين على المعالج جلب المعلومات من ذاكرة RAM.

عندما تصبح أجهزة الكمبيوتر أسرع وأكثر كفاءة ، يقل أيضًا مقدار التأخير المرتبط بنقل البيانات. على سبيل المثال ، يجب أن نذكر الزيادة في سرعة ذاكرة الوصول العشوائي DDR4 وذاكرة SSD ، مما يزيد بشكل كبير من سرعة النظام بأكمله.

مستقبل ذاكرة التخزين

مع تقدم التكنولوجيا في تصميم وبناء جميع أنواع الذكريات ، تزداد ذاكرة التخزين المؤقت للمعالج بشكل أفضل وأسرع يومًا بعد يوم. على سبيل المثال ، من بين أحدث ابتكارات AMD ، يمكننا أن نذكر ميزات “Smart Access Memory” و “Infinity Cache” ، وكلاهما يمكن أن يحسن أداء الكمبيوتر.