¿Qué es un caché de CPU?

El caché de la unidad central de procesamiento (CPU) es un tipo de memoria de acceso aleatorio (RAM) que se integra directamente en el microprocesador de una computadora y se designa como caché L1. Otra variedad de caché de CPU son los chips de RAM estática L2 (SRAM) de capacidad limitada en la placa base. El microprocesador debe acceder a estos dos tipos de memoria al realizar instrucciones de rutina antes de utilizar la memoria RAM estándar, y esto proporciona a los procesadores características de rendimiento mejoradas.

La práctica de colocar la memoria caché de la CPU en microprocesadores para el acceso inmediato a la memoria con el fin de acelerar el acceso a los datos para el procesador se ha realizado desde la creación del procesador de computadora 80486 en 1989, que tenía un registro de caché L1 rudimentario incorporado. Los niveles más grandes de caché L2 que se integraron directamente en la funcionalidad del procesador entraron en uso en 1995. A partir de 2011, también existe un tercer nivel de memoria caché de la CPU en algunos sistemas informáticos conocidos como L3, al que se accede antes que la memoria RAM principal del sistema se usa en sí mismo. Cada nivel de caché está diseñado para ser más grande y más lento en rendimiento a medida que aumenta su distancia del microprocesador. Los primeros niveles de caché de CPU L1 eran de 8 kilobytes de tamaño, con caché L2 en máquinas a partir de 2007 ya superando el límite de tamaño de 6 megabytes, y algunos sistemas a partir de 2011 han incorporado un búfer de caché L4 de hasta 64 megabytes de tamaño.

La función de memoria caché de alta velocidad y bajo volumen para microprocesadores se centra en la forma en que llevan a cabo las instrucciones. A medida que un microprocesador realiza operaciones, tradicionalmente debe enviar solicitudes de datos a la memoria principal a través del bus del sistema. En términos informáticos, este es un proceso muy lento, por lo que los diseñadores de CPU incorporaron accesos directos para el proceso de datos a los que el microprocesador accede repetidamente. Cuando los datos de acceso frecuente ya están cargados en el caché de la CPU, el microprocesador puede realizar operaciones a una velocidad mucho más rápida y eficiente. Por esta razón, esta memoria de la unidad de proceso central a menudo se conoce como caché de instrucciones o caché de datos, donde está vinculada directamente a la funcionalidad del microprocesador y el hardware de la computadora. Por el contrario, gran parte de los datos almacenados en la RAM estándar de una computadora es caché de software para los muchos programas que la computadora ejecuta simultáneamente.

La memoria caché L1 también se conoce como memoria protegida, o memoria con una asignación sin escritura, ya que los datos almacenados en esta memoria caché son esenciales para la función de la computadora. Si se sobrescribe accidentalmente, la computadora puede sufrir una falla de protección general donde se ve obligada a apagarse y reiniciarse para borrar el caché de la CPU dañado. Varios niveles de la memoria caché de la CPU tienen una funcionalidad de búfer de escritura, donde escribirán los datos almacenados allí en la memoria principal para liberar espacio en la memoria caché para cuando las operaciones a las que se accede con mayor frecuencia deben tener una mayor prioridad en el procesamiento.

Grandes cantidades de caché de CPU mejorarán el rendimiento de un microprocesador hasta un punto en el que pueda superar a un procesador más rápido que tenga menos memoria caché integrada en el sistema. La velocidad del bus frontal (FSB) también es fundamental para determinar el rendimiento del microprocesador. Las velocidades del bus en general han sido tradicionalmente un cuello de botella para las características de rendimiento en las computadoras personales (PC) donde el procesamiento debe canalizarse de un lado a otro a través del bus hacia la memoria. Las altas tasas de FSB a partir de 2011 para los procesadores Core 2 están en un nivel de 1,600 megahercios, o 1,600 millones de ciclos por segundo, de conjuntos de instrucciones de computadora.