L1, L2 ve L3 önbellek

Kısaca: Önbellek (cache), işlemcide yakında gerekecek veri ve komutları tutan çok hızlı bir tampondur. Üç düzey vardır: L1 (küçük, en hızlı), L2 (orta) ve L3 (büyük, paylaşılan, daha yavaş).

Biraz daha ayrıntılı: Ana bellek bir işlemci için çok yavaştır: tek bir erişim yüzlerce hesaplama adımı kadar sürer. Önbellek, programların aynı verilere tekrar tekrar (zamansal yerellik) ve komşu verilere (uzamsal yerellik) ihtiyaç duyduğu gözlemiyle bunu köprüler. Birkaç düzey bir uzlaşmadır: bir bellek ne kadar hızlıysa o kadar pahalı ve küçüktür.

Ayrıntılı

Düzey	Tipik boyut	Erişim süresi	Ait olduğu	Özellik
L1	32 – 64 KB (veri ve komutlar için ayrı ayrı)	~4 çevrim	her çekirdek	En hızlı ve en küçük; L1d (veri) ve L1i (komutlar) olarak bölünmüş
L2	256 KB – 2 MB	~12 çevrim	genellikle her çekirdek	L1 ile L3 arasında tampon
L3	8 – 128 MB (ve daha fazla, 3D V-Cache)	~40 çevrim	tüm çekirdekler birlikte	Çekirdekler arasında veri alışverişi yapar
RAM	GB	~200+ çevrim	harici	karşılaştırma için

Nasıl çalışır:

• Veriler 64 baytlık önbellek satırları (cache line) halinde yüklenir.
• İsabet (hit): Veri oradadır, hızlı. Iskalama (miss): Veri bir sonraki düzeyden getirilmelidir, işlemci bekler.
• Çıkarma (eviction): Önbellek dolunca genellikle en uzun süredir kullanılmayan satır atılır (LRU benzeri).
• Tutarlılık (coherence): Bir çekirdek veriyi değiştirirse diğer çekirdekler kopyalarını güncellemeli veya atmalıdır (MESI gibi protokoller).

Neden birkaç düzey?

• Tek bir büyük önbellek yavaş olurdu (daha uzun yollar, daha fazla yönetim).
• Küçük, hızlı bir L1 erişimlerin çoğunu yakalar. Sığmayanlar L2 ve L3’te durur.
• Bu, yüksek hız ile yeterli kapasitenin birleşimini sağlar.

Pratik:

• Programlar verileri sırayla (diziler) okuduğunda, sıçramalarla (bağlı listeler, rastgele erişim) okumadığında daha hızlı çalışır.
• Oyunlar ve veritabanları büyük bir L3’ten güçlü biçimde yararlanır (AMD X3D, 3D V-Cache).
• Önbellek boyutu, saat ve çekirdek sayısının yanı sıra bir satın alma ölçütüdür.
• Spectre ve Meltdown gibi saldırılar önbellekteki zamanlama farklarından yararlandı.

Ayrıca bak: İşlemci yapısı: yürütme birimleri ve önbellek, Bellek hiyerarşisi ve önbellek satırları, Önbellekler