Quais os tipos de memória cache?

A memória cache é um tipo de memória essencial para o funcionamento do computador, visto que é nela que dados temporários que precisam ser acessados rapidamente são armazenados. Existem diversos tipos de memória cache, seja para o uso do processador, do sistema operacional, da placa de vídeo e até mesmo por parte do próprio usuário.

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As mais comuns e popularmente comentadas em reviews e descrições de processadores são as memórias cache L1, L2 e L3 de um processador. Elas são essenciais para o funcionamento do sistema e são encontradas fisicamente dentro do die do componente.

Cache L1

O cache L1 é o primeiro nível de cache de um processador, sendo o mais rápido e mais próximo fisicamente dos núcleos de processamento. No entanto, isso significa que seu espaço é muito reduzido e, por isso, é mais usado para armazenar instruções (i-cache) para o funcionamento do sistema. Apesar disso, o cache L1 também serve para armazenar tipos bastante específicos de dados (d-cache).

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O principal uso do cache L1 é fazer a pré-busca e armazenamento das instruções, que são enviadas depois para os outros caches, pois é o primeiro nível de prioridade. As políticas de armazenamento dos dados também ficam nesse nível de memória, em que podem ser configuradas em LRU (Least Recently Used) ou FIFO (First-In-First-Out). No LRU, os dados menos usados são descartados primeiro quando necessita de espaço, enquanto no FIFO o primeiro a ser armazenado será o primeiro a ser descartado para abrir o mesmo espaço.

É importante lembrar que o cache L1 é individual para cara núcleo, ou seja, se o processador tiver 4 núcleos, ele terá quatro caches L1, um para cada core.

Cache L2

O cache L2 é menos veloz que o L1 cache, pois possui mais espaço para armazenar dados, e não está tão próximo do processador. Esse espaço maior é necessário, pois o cache L1 tem uma taxa de atualização muito rápida e o L2 precisa desse espaço adicional para armazenar esses dados do cache L1, como instruções e dados necessários para o funcionamento do sistema.

Normalmente é o cache L2 que envia dados para a memória RAM, além de ser responsável por compartilhar dados entre todos os núcleos do processador – quando não possui um L3 cache. Isso significa que quanto mais cache L2 a CPU tiver, melhor será o funcionamento multi-core e execução de multitasking.

Cache L3

Entre os três níveis, o cache L3 é o maior deles e é compartilhado entre todos os cores. Mesmo sendo um pouco mais lento, é muito mais rápido que uma memória RAM. Assim como os outros, ele armazena dados temporários e constantemente usados pelo sistema.

Além de beneficiar também processadores com diversos núcleos, o cache L3 tem grande impacto em virtualização, que precisa de uma memória cache maior para usar várias máquinas virtuais. O cache L3 é a última camada antes da memória RAM no caminho completo de uma instrução do sistema, que percorre este caminho: cache L1 > cache L2 > cache L3 > memória RAM.

Outras memórias cache

Além das memórias cache L1, L2 e L3 para o uso do processador, existem outras memórias cache que são usadas frequentemente pelo seu sistema operacional, de forma que facilita o acesso aos dados mais usados.

Cache de disco

Diferente dos caches mencionados anteriormente, de uso exclusivo do processador, o cache de disco é voltado para memórias não-voláteis. Uma memória volátil deleta todas as informações armazenadas assim que o abastecimento de energia termina, como as memórias cache L1, L2 e L3 e memória RAM.

Por outro lado, um dispositivo de armazenamento como HDD, SSD e memórias flash são não-voláteis, o que significa que podem ser movidos e armazenados efetivamente. Com isso em mente, o cache de disco tem uma função similar aos exemplos mencionados acima, de facilitar o acesso aos dados mais usados no momento e otimizar o desempenho do componente.

A diferença é que o cache de disco fica no controlador da memória usada, indicando o melhor caminho para chegar até o dado que o usuário está buscando no momento. Existe o cache de leitura e o cache de escrita, que armazena os dados escritos ou lidos recentemente. Em um SSD é fácil de encontrá-los, pois costuma ser implementado internamente ou em um chip próximo.

Cache de GPU

O cache de GPU é o mais diferente de todos, pois ele é totalmente voltado para atividades gráficas, com cache de textura, cache de pixel e cache de shader. A diferença nessa memória é que existem outras tecnologias que podem facilitar o gerenciamento e tornar ainda melhor a experiência do usuário.

Existem alguns exemplos: por parte da NVIDIA, há a memória unificada (Unified Memory), que coloca em um único local os dados de CPU e GPU, otimizando o desempenho e poupando tempo de comunicação entre diferentes memórias. Já pela AMD, há a Smart Access Memory (SAM), que permite à CPU acessar toda a capacidade da GPU diretamente, otimizando os dados e evitando sobrecarga de cache.

Como a memória cache impacta no cotidiano?

O principal foco de uma memória cache, independentemente se for de processador, disco ou GPU, é que ela visa otimizar o uso diário, agilizando o acesso aos dados mais usados no dia ad ia. No caso de um usuário comum, isso pode ajudar em inicialização de sistema, acesso às suas pastas mais usadas e até carregamento mais veloz de um game — quem nunca demorou 5 minutos no primeiro load de uma tela e depois, quando voltou, esse mesmo carregamento levou 30 segundos?

Em uso de servidores e workstations, a memória cache é útil para multitarefas, execuções repetidas de funções e gerenciamento de alto fluxo de dados, pois ela facilitará o processamento desses dados complexos. Atualmente, isso é mais importante ainda, visto que o uso de inteligência artificial exige acesso super-rápido aos dados para alimentar suas redes neurais.

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