Πώς εφαρμόζεται η προσωρινή μνήμη L2 μέσα στο περίβλημα του επεξεργαστή;

Η υλοποίηση της προσωρινής μνήμης L2 εντός της κατοικίας ενός επεξεργαστή ποικίλλει σημαντικά ανάλογα με τη συγκεκριμένη αρχιτεκτονική και γενιά του επεξεργαστή. Ωστόσο, ισχύουν ορισμένες κοινές αρχές και προσεγγίσεις:

Φυσική εφαρμογή:

* SRAM (στατική μνήμη τυχαίας πρόσβασης): Η προσωρινή μνήμη L2 εφαρμόζεται σχεδόν πάντα χρησιμοποιώντας SRAM. Το SRAM είναι ταχύτερο από το DRAM (δυναμική μνήμη τυχαίας πρόσβασης) που χρησιμοποιείται για την κύρια μνήμη, αλλά είναι επίσης πιο ακριβό και καταναλώνει περισσότερη ισχύ ανά bit. Το πλεονέκτημα ταχύτητας είναι ζωτικής σημασίας για τον σκοπό της προσωρινής μνήμης:ταχεία πρόσβαση σε συχνά χρησιμοποιούμενα δεδομένα.

* ενσωμάτωση on-die: Οι σύγχρονοι επεξεργαστές ενσωματώνουν συνήθως την προσωρινή μνήμη L2 απευθείας πάνω στο ίδιο πυριτίο που πεθαίνουν με τους πυρήνες του επεξεργαστή. Αυτό ελαχιστοποιεί την καθυστέρηση λόγω της επικοινωνίας εκτός τσιπ. Τα προηγούμενα σχέδια χρησιμοποιούσαν μερικές φορές ξεχωριστά τσιπ για μνήμη L2, συνδεδεμένα μέσω δίαυλου υψηλής ταχύτητας, με αποτέλεσμα υψηλότερη λανθάνουσα κατάσταση.

* Οργανισμός: Η προσωρινή μνήμη L2 είναι οργανωμένη ως συστοιχία μνήμης πολλαπλών προσωρινών, επιτρέποντας την πρόσβαση σε πολλαπλούς πυρήνες ή μονάδες εκτέλεσης. Ο ακριβής οργανισμός (π.χ. αριθμός θυρών, δομή της τράπεζας) είναι ειδική για την αρχιτεκτονική, σχεδιασμένη να βελτιστοποιεί τη διακίνηση και να ελαχιστοποιήσει τη διαμάχη.

* Interconnect: Η προσωρινή μνήμη L2 επικοινωνεί με τους πυρήνες του επεξεργαστή και άλλα εξαρτήματα (π.χ. μνήμη μνήμης L1, ελεγκτή μνήμης) μέσω ενός δικτύου διασύνδεσης on-die. Αυτό το δίκτυο μπορεί να είναι ένα απλό λεωφορείο ή μια πιο σύνθετη αρχιτεκτονική πλέγματος ή δακτυλίου, με στόχο το υψηλό εύρος ζώνης και τη χαμηλή λανθάνουσα κατάσταση.

* Ελεγκτής cache: Ένας ειδικός ελεγκτής cache διαχειρίζεται την προσωρινή μνήμη L2. Διαχειρίζεται πολιτικές αντικατάστασης γραμμής κρυφής μνήμης (π.χ. LRU, FIFO), κατανομή δεδομένων και επικοινωνία με τους πυρήνες του επεξεργαστή και την κύρια μνήμη. Ο σχεδιασμός του ελεγκτή επηρεάζει σημαντικά την απόδοση.

Αρχιτεκτονικές παραλλαγές:

* κοινόχρηστο εναντίον αφοσιωμένου L2: Ορισμένες αρχιτεκτονικές χρησιμοποιούν μια κοινή προσωρινή μνήμη L2 που είναι προσβάσιμη από όλους τους πυρήνες στον επεξεργαστή, ενώ άλλοι χρησιμοποιούν αποκλειστικά μνήμες L2 για μεμονωμένους πυρήνες. Ένα κοινό L2 γενικά απλοποιεί το σχεδιασμό, αλλά μπορεί να εισαγάγει αμφισβήτηση. Το αφοσιωμένο L2 βελτιώνει την απόδοση ανά πυρήνα αλλά αυξάνει την πολυπλοκότητα.

* Μέγεθος μνήμης και συνεργασία: Το μέγεθος και η συσχέτιση της προσωρινής μνήμης L2 είναι κρίσιμες παράμετροι που επηρεάζουν την απόδοση και το κόστος. Οι μεγαλύτερες κρυφές μνήμες βελτιώνουν γενικά τα ποσοστά επιτυχίας, αλλά καταναλώνουν περισσότερη περιοχή και ισχύ. Η υψηλότερη συσχέτιση μειώνει τις χείρες των συγκρούσεων αλλά αυξάνει την πολυπλοκότητα.

* Πολιτικές συμπερίληψης/αποκλεισμού: Σε ιεραρχίες προσωρινής μνήμης πολλαπλών επιπέδων (L1, L2, L3), η ιδιότητα συμπερίληψης (L1 cache είναι ένα υποσύνολο της προσωρινής μνήμης L2) απλοποιεί τα πρωτόκολλα συνοχής αλλά μειώνει την ευελιξία. Οι πολιτικές αποκλεισμού προσφέρουν μεγαλύτερη ευελιξία, αλλά απαιτούν πιο σύνθετα πρωτόκολλα συνοχής.

Εν ολίγοις, η προσωρινή μνήμη L2 είναι ένα εξελιγμένο κομμάτι υλικού που είναι πολύπλοκα ενσωματωμένο στο σχεδιασμό του επεξεργαστή. Η φυσική του εφαρμογή περιλαμβάνει SRAM υψηλής ταχύτητας, βελτιστοποιημένη διασύνδεση και έξυπνη διαχείριση της προσωρινής μνήμης. Οι συγκεκριμένες λεπτομέρειες εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τους στόχους σχεδιασμού του επεξεργαστή (απόδοση, κατανάλωση ενέργειας, κόστος) και από την υποκείμενη μικροαρχιτεκτονική.