En los años 80, las velocidades del microprocesador aumentaron exponencialmente en comparación con los tiempos de acceso a la memoria. Rápidamente se hizo evidente que había que hacer algo para mejorar la velocidad con la que se podía acceder a la memoria y hacer que todo el sistema fuera más eficiente. Esas discrepancias entre la velocidad de procesamiento y la velocidad de la memoria llevaron al desarrollo de la caché.
Qué es la caché
La invención de la caché fue uno de los acontecimientos más críticos de la historia de la informática. Pero, ¿qué es exactamente el caché? ¿Cómo funciona el sistema?
En su nivel básico, una caché es un tipo de memoria rápida. Contiene una pequeña reserva de memoria que contiene instrucciones que el ordenador probablemente necesitará al realizar una tarea en particular. La computadora carga esa información en la caché usando algoritmos complejos y conocimiento del código de programación. El propósito de tener un sistema de caché en el ordenador es asegurarse de que la CPU tiene el acceso sin obstáculos a los datos que necesita en el orden en que los necesita.
Para ver cómo funciona, debe saber que los equipos tienen tres tipos de memoria. Primero está la memoria primaria que se encuentra en el disco duro o en la SSD. Es el mayor repositorio de memoria de la máquina. Luego está la RAM o memoria de acceso aleatorio, que es más rápida, pero más pequeña, que el dispositivo de memoria principal. Por último, hay unidades de memoria dentro de la propia CPU, conocidas como caché. El caché es el más rápido de todos los tipos de memoria.
Cuando se lanza un programa, ese programa comienza a ejecutar una serie de instrucciones que se encuentran en el código del programa. Esa información primero se carga en la RAM y luego pasa a la CPU. Para utilizar mejor los datos para llevar a cabo las instrucciones, la CPU necesita una memoria de alta velocidad. Ahí es donde entra el caché.
Niveles de caché
Dentro de la CPU, hay tres niveles diferentes de caché: L1, L2 y L3. Algunas empresas incluso están trabajando en una caché L4.
La caché L1 es la más rápida y la más pequeña de las tres. Contiene los datos que la CPU es más probable que necesite para realizar las operaciones. El L1 suele tener una capacidad aproximada de 256 KB, aunque algunos lo han aumentado hasta 1 MB.
Esta pequeña caché tiene un doble propósito, ya que tiene tanto una caché de instrucciones como una caché de datos. La caché de instrucciones se ocupa de las operaciones que debe realizar la CPU, y la caché de datos contiene la información sobre la que se debe realizar el proceso.
A continuación, está la caché L2. La L2 es más lenta y contiene más información que la L1. Contiene entre 256K y 8MB de datos a los que el ordenador probablemente necesitará acceder a continuación.
Por último, vemos la caché L3. Es la caché más grande y lenta, almacenando entre 4MB y 50MB.
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Cómo funciona la caché
Cuando se inicia un programa en el equipo, los datos fluyen desde la RAM a la caché L3, luego a la L2 y finalmente a la L1. Mientras el programa se está ejecutando, la CPU busca la información que necesita para ejecutarse, comenzando en la caché L1 y trabajando hacia atrás desde allí. Si la CPU encuentra la información necesaria, se llama «cache hit». Si no puede encontrar la información que necesita, es un error de caché, y la computadora tiene que buscar en otro lugar para encontrar la información que necesita.
La latencia es un factor importante en la eficiencia de una computadora. La latencia es el tiempo necesario para que se recupere una parte de la información. La caché L1 es la más rápida, y por lo tanto tiene la latencia más baja. Cuando se produce un fallo en la caché, la latencia aumenta ya que el equipo debe seguir buscando en diferentes cachés para encontrar la información que necesita.
Las computadoras más nuevas tienen un tamaño de transistor de CPU mucho más pequeño que ha hecho posible construir una placa con más espacio para colocar la caché directamente sobre ella. Físicamente, al acercar la caché a la CPU se reduce la latencia.
Aunque la caché no es algo que los vendedores de ordenadores señalan a menudo, vale la pena comprobarlo. Las cachés más rápidas tendrán menos latencia, lo que hará que sus programas se ejecuten más rápido y de forma más eficiente.
