Кэш - память (кеш, cash, буфер - eng.) - применяется в цифровых устройствах, как высокоскоростной буфер обмена. Кэш память можно встретить на таких устройствах компьютера как жёсткие диски, процессоры, видеокарты, сетевые карты, приводы компакт дисков и многих других.

Принцип работы и архитектура кэша могут сильно отличаться.

К примеру, кэш может служить как обычный буфер обмена. Устройство обрабатывает данные и передаёт их в высокоскоростной буфер, где контроллёр передаёт данные на интерфейс. Предназначен такой кэш для предотвращения ошибок, аппаратной проверки данных на целостность, либо для кодировки сигнала от устройства в понятный сигнал для интерфейса, без задержек. Такая система применяется например в CD/DVD приводах компакт дисков.

В другом случае, кэш может служить для хранения часто используемого кода и тем самым ускорения обработки данных. То есть, устройству не нужно снова вычислять или искать данные, что заняло бы гораздо больше времени, чем чтение их из кэш-а. В данном случае очень большую роль играет размер и скорость кэш-а.

Такая архитектура чаще всего встречается на жёстких дисках, SSD накопителях и центральных процессорах (CPU).

При работе устройств, в кэш могут загружаться специальные прошивки или программы диспетчеры, которые работали бы медленней с ПЗУ (постоянное запоминающее устройство).

Большинство современных устройство, используют смешанный тип кэша, который может служить как буфером обмена, как и для хранения часто используемого кода.

Существует несколько очень важных функций, реализуемых для кэша процессоров и видео чипов.

Объединение исполнительных блоков. В центральных процессорах и видео процессорах часто используется быстрый общий кэш между ядрами. Соответственно, если одно ядро обработало информацию и она находится в кэше, а поступает команда на такую же операцию, либо на работу с этими данными, то данные не будут снова обрабатываться процессором, а будут взяты из кэша для дальнейшей обработки. Ядро будет разгружено для обработки других данных. Это значительно увеличивает производительность в однотипных, но сложных вычислениях, особенно если кэш имеет большой объём и скорость.

Общий кэш, также позволяет ядрам работать с ним напрямую, минуя медленную оперативную память.

Кэш для инструкций. Существует либо общий очень быстрый кэш первого уровня для инструкций и других операций, либо специально выделенный под них. Чем больше в процессоре заложенных инструкций, тем больший кэш для инструкций ему требуется. Это уменьшает задержки памяти и позволяет блоку инструкций функционировать практически независимо.При его заполнении, блок инструкций начинает периодически простаивать, что замедляет скорость вычисления.

Другие функции и особенности.

Примечательно, что в CPU (центральных процессорах), применяется аппаратная коррекция ошибок (ECC), потому как небольшая ошибочка в кэше, может привести к одной сплошной ошибке при дальнейшей обработке этих данных.

Для процессоров, нормальным считается три и менее уровней кэша. Это позволяет добиться сбалансированности между скоростью, размером кэша и тепловыделением. В видеопроцессорах сложно встретить более двух уровней кэша.

Размер кэша, влияние на производительность и другие характеристики.

Естественно, чем больше кэш, тем больше данных он может хранить и обрабатывать, но тут есть серьёзная проблема.

Большой кеш - это большой транзисторный бюджет. В серверных процессорах (CPU), кэш может использовать до 80%транзисторного бюджета. Во первых, это сказывается на конечной стоимости, а во вторых увеличивается энергопотребление и тепловыделение, которое не сопоставимо с увеличенной на несколько процентов производительностью.

Уровни кэша (кеша) процессора - зависимость производительности от уровня. Иерархия кеша (кэша) и для чего она нужна.

Микропроцессор, как правило, имеет несколько уровней КЭШ-а (processor cache memory, кеш). Первый (L1 & L1i (кэш для инструкций)), второй (L2) и третий (L3) ( на серверных решениях бывает и больше).

Чем ниже по рангу кэш, тем медленней скоростьего работы.

 Первый уровень обычно работает на частоте процессора и имеет самую широкую шину, но и самый маленький объём. Служит для адресации команд и инструкций, но не их временного хранения.

 Второй и третий уровни КЭШ-а служат для записи значений вычислений и для служебной информации, используемой чаще всего в данный момент. Имеет в несколько раз больший объём, чем кэш первого уровня, но и в несколько раз меньшую шину, что отрицательно сказывается на пропускной способности. Кэш бывает разделяемый (на каждое ядро) и общий (объединённый).

 Бесспорно, общий кэш работает быстрее. Так как в разделённом кэше, если одному ядру требуется информация, которая до этого была просчитана другим ядром и находится в его КЭШе, то ей придётся проходить по гораздо более медленной оперативной памяти. Иногда быстрее посчитать снова, что процессор и делает. А в случае с общим кэшем, мог бы просто взять данные из общего КЭШа. К примеру, процессор Intel C2D q9550 состоит из двух Intel C2D E8400.

 Четыре ядра будут медленнее не только из-за использования общих ресурсов шины. Кэш L2 теперь не общий и ему приходится искать обходные пути, если к примеру ядру 1 понадобилась информация обработанная ядром 3. Это увеличивает время обработки информации, следовательно уменьшает быстродействие.