Les processeurs informatiques ont beaucoup progressé ces dernières années. Les transistors deviennent de plus en plus petits chaque année, et les avancées atteignent un point où la loi de Moore devient superflue.
En ce qui concerne les processeurs, ce ne sont pas seulement les transistors et les fréquences qui comptent, mais aussi le cache.
Vous avez peut-être entendu parler de la mémoire cache lorsque l’on parle de CPU (Central Processing Unit). Cependant, nous n’accordons pas assez d’attention à ces chiffres relatifs à la mémoire cache des CPU, et ils ne constituent pas non plus le principal point fort des publicités pour les CPU.
Alors, quelle est l’importance exacte de la mémoire cache du CPU et comment fonctionne-t-elle ?
Qu’est-ce que la mémoire cache du CPU ?
En termes simples, une mémoire cache de CPU est juste un type de mémoire très rapide. Aux premiers jours de l’informatique, la vitesse des processeurs et la vitesse de la mémoire étaient faibles. Cependant, au cours des années 1980, la vitesse des processeurs a commencé à augmenter -rapidement. La mémoire système de l’époque (RAM) ne pouvait pas faire face ou s’adapter à l’augmentation de la vitesse des processeurs, c’est pourquoi un nouveau type de mémoire ultra-rapide est né : La mémoire cache du processeur.
Aujourd’hui, votre ordinateur est doté de plusieurs types de mémoire.
Le stockage primaire, comme un disque dur ou un SSD, stocke la majeure partie des données – le système d’exploitation et les programmes.
Ensuite, nous avons la « mémoire vive », communément appelée RAM. Elle est beaucoup plus rapide que le stockage primaire mais n’est qu’un support de stockage à court terme. Votre ordinateur et ses programmes utilisent la RAM pour stocker les données fréquemment consultées, ce qui contribue à rendre les actions sur votre ordinateur agréables et rapides.
Enfin, l’unité centrale dispose d’unités de mémoire encore plus rapides en son sein, connues sous le nom de cache mémoire de l’unité centrale.
La mémoire d’un ordinateur est hiérarchisée en fonction de sa vitesse de fonctionnement. Le cache de l’unité centrale se trouve au sommet de cette hiérarchie, étant le plus rapide. C’est aussi la plus proche de l’endroit où se déroule le traitement central, puisqu’elle fait partie de l’unité centrale elle-même. Selon Tech Target, « la mémoire cache fonctionne entre 10 et 100 fois plus vite que la RAM, ne nécessitant que quelques nanosecondes pour répondre à une demande du CPU. »
La mémoire des ordinateurs existe également en différents types.
La mémoire cache est une forme de RAM statique (SRAM), tandis que la RAM de votre système ordinaire est connue sous le nom de RAM dynamique (DRAM). La RAM statique peut contenir des données sans avoir besoin d’être constamment rafraîchie, contrairement à la DRAM, ce qui rend la SRAM idéale pour la mémoire cache.
Comment fonctionne le cache du processeur ?
Les programmes et les applications de votre ordinateur sont conçus comme un ensemble d’instructions que le CPU interprète et exécute. Lorsque vous exécutez un programme, les instructions passent du stockage primaire (votre disque dur) au CPU. C’est là que la hiérarchie de la mémoire entre en jeu.
Les données sont d’abord chargées dans la mémoire vive et sont ensuite envoyées à l’unité centrale. Les CPU sont capables d’exécuter un nombre gigantesque d’instructions par seconde. Pour exploiter pleinement sa puissance, le CPU doit avoir accès à une mémoire ultra-rapide, et c’est là qu’intervient le cache du CPU.
Le contrôleur de mémoire prend les données de la RAM et les envoie au cache du CPU. En fonction de votre CPU, le contrôleur se trouve sur le CPU ou sur le chipset Northbridge de votre carte mère.
Le cache mémoire effectue ensuite le va-et-vient des données au sein du CPU. La hiérarchie de la mémoire existe également dans le cache du CPU.
Les niveaux de mémoire cache de l’unité centrale : L1, L2, et L3
La mémoire cache du processeur est divisée en trois « niveaux » : L1, L2 et L3. La hiérarchie de la mémoire est à nouveau fonction de la vitesse et, donc, de la taille du cache.
Alors, la taille du cache du CPU fait-elle une différence dans les performances ?
Cache L1
Le cache L1 (niveau 1) est la mémoire la plus rapide présente dans un système informatique. En termes de priorité d’accès, le cache L1 contient les données dont le processeur est le plus susceptible d’avoir besoin pour accomplir une tâche donnée.
La taille du cache L1 dépend du processeur. Certains processeurs grand public haut de gamme disposent désormais d’un cache L1 de 1 Mo, comme l’Intel i9-9980XE, mais ils coûtent très cher et sont encore peu nombreux. Certains chipsets pour serveurs, comme la gamme Xeon d’Intel, disposent également d’un cache mémoire L1 de 1 à 2 Mo.
Il n’existe pas de taille de cache L1 « standard », vous devez donc vérifier les spécifications du processeur pour déterminer la taille exacte du cache mémoire L1 avant d’acheter.
Le cache L1 est généralement divisé en deux sections : le cache d’instructions et le cache de données. Le cache d’instructions traite les informations relatives à l’opération que le processeur doit effectuer, tandis que le cache de données contient les données sur lesquelles l’opération doit être effectuée.
Cache L2
Le cache L2 (niveau 2) est plus lent que le cache L1 mais sa taille est plus importante. Alors qu’un cache L1 peut se mesurer en kilo-octets, les caches mémoire L2 modernes se mesurent en méga-octets. Par exemple, le très bien noté Ryzen 5 5600X d’AMD possède un cache L1 de 384 Ko et un cache L2 de 3 Mo (plus un cache L3 de 32 Mo).
La taille du cache L2 varie en fonction du processeur, mais elle se situe généralement entre 256 Ko et 32 Mo. La plupart des processeurs modernes disposent d’un cache L2 de plus de 256 Ko, et cette taille est désormais considérée comme faible. En outre, certains des processeurs modernes les plus puissants disposent d’un cache L2 plus important, dépassant largement les 8 Mo. Par exemple,
En ce qui concerne la vitesse, le cache L2 est à la traîne derrière le cache L1, mais il est toujours beaucoup plus rapide que la RAM de votre système. Le cache L1 est généralement 100 fois plus rapide que votre RAM, tandis que le cache L2 est environ 25 fois plus rapide.
Cache L3
Passons au cache L3 (niveau 3). Au début, le cache mémoire L3 se trouvait sur la carte mère. C’était il y a très longtemps, à l’époque où la plupart des CPU n’étaient que des processeurs à un seul cœur. Aujourd’hui, le cache L3 de votre CPU peut être massif, les CPU grand public haut de gamme disposant de caches L3 allant jusqu’à 32 Mo, tandis que les CPU révolutionnaires Ryzen 7 5800X3D d’AMD sont dotés d’un cache L3 de 96 Mo. Certains caches L3 de processeurs de serveurs peuvent dépasser ce chiffre, avec jusqu’à 128 Mo.
Le cache L3 est la plus grande unité de mémoire cache, mais aussi la plus lente. Les processeurs modernes incluent le cache L3 sur le processeur lui-même. Mais alors que les caches L1 et L2 existent pour chaque cœur sur la puce elle-même, le cache L3 ressemble davantage à un pool de mémoire général que la puce entière peut utiliser.
Les images suivantes montrent les niveaux de cache mémoire du CPU pour un CPU Intel Core i5-3570K lancé en 2012 et un CPU AMD Ryzen 5800X, lancé huit ans plus tard, en 2020. Les données de cache du CPU se trouvent dans le coin inférieur droit de la deuxième image.
Remarquez comment le cache L1 est divisé en deux, alors que les caches L2 et L3 sont plus grands, respectivement, sur les deux processeurs ? Pourtant, sur l’AMD Ryzen 5800X, le cache L3 est plus de cinq fois supérieur à celui de l’Intel i5-3570K.
De quelle quantité de mémoire cache du CPU ai-je besoin ?
C’est une bonne question. Plus, c’est mieux, comme vous pouvez vous y attendre. Les derniers processeurs comprendront naturellement plus d’antémémoire que les générations précédentes, avec une antémémoire potentiellement plus rapide également. Une chose que vous pouvez faire est d’apprendre à comparer efficacement les processeurs. Il existe de nombreuses informations et apprendre à comparer et à opposer différents processeurs peut vous aider à prendre la bonne décision d’achat.
La conception de la mémoire cache est en constante évolution, notamment parce que la mémoire devient moins chère, plus rapide et plus dense. Par exemple, l’une des innovations les plus récentes d’AMD est la mémoire d’accès intelligente et le cache Infinity, qui augmentent tous deux les performances.
Comment les données circulent-elles entre les caches mémoire des processeurs ?
La grande question : comment fonctionne la mémoire cache du CPU ?
Dans ses termes les plus basiques, les données circulent de la RAM vers le cache L3, puis le L2, et enfin le L1. Lorsque le processeur recherche des données pour effectuer une opération, il essaie d’abord de les trouver dans le cache L1. Si le processeur la trouve, la condition est appelée un cache hit. Il procède ensuite à la recherche dans L2 et ensuite L3.
Si le processeur ne trouve pas les données dans l’un des caches de mémoire, il tente d’y accéder à partir de votre mémoire système (RAM). Lorsque cela se produit, on parle de manque de mémoire cache.
Comme nous le savons, le cache est conçu pour accélérer le va-et-vient des informations entre la mémoire principale et l’unité centrale. Le temps nécessaire pour accéder aux données de la mémoire est appelé « latence ».
La mémoire cache L1 présente la latence la plus faible, étant la plus rapide et la plus proche du cœur, et L3 la plus élevée. La latence de la mémoire cache augmente lorsqu’il y a un manque de mémoire cache, car le processeur doit récupérer les données dans la mémoire du système.
La latence continue de diminuer à mesure que les ordinateurs deviennent plus rapides et plus efficaces. La RAM DDR4 et DDR5 à faible latence et les disques SSD ultrarapides réduisent la latence, ce qui rend l’ensemble de votre système plus rapide que jamais. En cela, la vitesse de la mémoire de votre système est également importante.
La vitesse du cache du CPU expliquée
La taille et la vitesse du cache du CPU sont importantes pour le fonctionnement général de votre ordinateur. Comme pour la plupart des questions relatives au matériel informatique, plus est mieux, et plus vite est toujours le choix le plus judicieux.
Cependant, vous ne devriez pas laisser le cache du CPU devenir l’option décisive ultime lorsqu’il s’agit d’acheter un nouveau CPU. Bien sûr, plus et plus vite, c’est mieux, mais vous devez également prendre en compte d’autres facteurs importants de performance du CPU, comme le nombre de cœurs, la vitesse d’horloge du CPU, etc.