Was ist der Unterschied zwischen RAM und Cache-Speicher?

Wenn Sie ein Technologie-Enthusiast sind, haben Sie vielleicht schon von Caches gehört und wie sie mit dem RAM auf Ihrem System arbeiten, um es schneller zu machen. Aber haben Sie sich jemals gefragt, was Cache ist und wie er sich von RAM unterscheidet?

Nun, wenn ja, sind Sie an der richtigen Stelle, denn wir werden uns alles ansehen, was Cache-Speicher von RAM unterscheidet.

Lernen Sie die Speichersysteme Ihres Computers kennen

Bevor wir anfangen, RAM mit Cache zu vergleichen, ist es wichtig zu verstehen, wie das Speichersystem auf einem Computer aufgebaut ist.

Sie sehen, sowohl RAM als auch Cache sind flüchtige Speichersysteme. Das bedeutet, dass diese beiden Speichersysteme Daten zwischenspeichern können und nur arbeiten, wenn sie mit Strom versorgt werden. Wenn Sie Ihren Computer ausschalten, werden daher alle im RAM und Cache gespeicherten Daten gelöscht.

Aus diesem Grund hat jedes Computergerät zwei verschiedene Arten von Speichersystemen – nämlich Primär- und Sekundärspeicher. Die Laufwerke sind der sekundäre Speicher eines Computersystems, in dem Sie Ihre Dateien speichern und Daten speichern können, wenn das Gerät ausgeschaltet ist. Andererseits liefern die primären Speichersysteme Daten an die CPU, wenn sie eingeschaltet sind.

Aber warum ein Speichersystem auf dem Computer haben, das keine Daten speichern kann, wenn es ausgeschaltet ist? Nun, es gibt einen wichtigen Grund, warum primäre Speichersysteme für einen Computer unverzichtbar sind.

Sie sehen, obwohl der primäre Speicher Ihres Systems keine Daten speichern kann, wenn kein Strom vorhanden ist, sind sie im Vergleich zu sekundären Speichersystemen viel schneller. Zahlenmäßig haben sekundäre Speichersysteme wie SSDs eine Zugriffszeit von 50 Mikrosekunden.

Im Gegensatz dazu können primäre Speichersysteme, wie z. B. Direktzugriffsspeicher, alle 17 Nanosekunden Daten an die CPU liefern. Daher sind primäre Speichersysteme im Vergleich zu sekundären Speichersystemen fast 3.000-mal schneller.

Aufgrund dieses Geschwindigkeitsunterschieds verfügen Computersysteme über eine Speicherhierarchie, die es ermöglicht, die Daten mit erstaunlich hoher Geschwindigkeit an die CPU zu liefern.

So bewegen sich Daten durch die Speichersysteme in einem modernen Computer.

• Speicherlaufwerke (Sekundärspeicher): Dieses Gerät kann Daten dauerhaft speichern, ist aber nicht so schnell wie die CPU. Aus diesem Grund kann die CPU nicht direkt auf Daten aus dem sekundären Speichersystem zugreifen.
• RAM (Primary Memory): Dieses Speichersystem ist schneller als das sekundäre Speichersystem, kann aber keine Daten dauerhaft speichern. Wenn Sie also eine Datei auf Ihrem System öffnen, wird sie von der Festplatte in den Arbeitsspeicher verschoben. Allerdings ist auch der Arbeitsspeicher nicht schnell genug für die CPU.
• Cache (Primärspeicher): Um dieses Problem zu lösen, wird eine bestimmte Art von Primärspeicher, der als Cache-Speicher bezeichnet wird, in die CPU eingebettet und ist das schnellste Speichersystem auf einem Computer. Dieses Speichersystem ist in drei Teile unterteilt, nämlich den L1-, L2- und L3-Cache. Daher werden alle Daten, die von der CPU verarbeitet werden müssen, von der Festplatte in den RAM und dann in den Cache-Speicher verschoben. Allerdings kann die CPU nicht direkt auf Daten aus dem Cache zugreifen.
• CPU-Register (Primärspeicher): Das CPU-Register auf einem Computergerät ist winzig klein und basiert auf der Prozessorarchitektur. Diese Register können 32 oder 64 Datenbits aufnehmen. Sobald die Daten in diese Register verschoben wurden, kann die CPU darauf zugreifen und die anstehende Aufgabe ausführen.

RAM verstehen und wie es funktioniert

Wie bereits erläutert, ist der Direktzugriffsspeicher auf einem Gerät für das Speichern und Liefern von Daten an die CPU für Programme auf dem Computer verantwortlich. Um diese Daten zu speichern, verwendet ein Direktzugriffsspeicher eine dynamische Speicherzelle (DRAM).

Diese Zelle wird unter Verwendung eines Kondensators und eines Transistors erstellt. Der Kondensator in dieser Anordnung dient zum Speichern von Ladung und basiert auf dem Ladezustand des Kondensators; Die Speicherzelle kann entweder eine 1 oder eine 0 enthalten.

Wenn der Kondensator voll geladen ist, soll er eine 1 speichern. Wenn er dagegen entladen ist, soll er 0 speichern. Obwohl die DRAM-Zelle Ladungen speichern kann, hat dieses Speicherdesign seine Schwächen.

Sie sehen, da RAM Kondensatoren verwendet, um Ladung zu speichern, neigt es dazu, die darin gespeicherte Ladung zu verlieren. Aus diesem Grund können im RAM gespeicherte Daten verloren gehen. Um dieses Problem zu lösen, wird die in den Kondensatoren gespeicherte Ladung mithilfe von Leseverstärkern aufgefrischt, wodurch verhindert wird, dass der RAM die gespeicherten Informationen verliert.

Obwohl diese Ladungsaktualisierung es dem RAM ermöglicht, Daten zu speichern, wenn der Computer eingeschaltet wird, führt dies zu einer Latenz im System, da der RAM keine Daten an die CPU übertragen kann, wenn er aktualisiert wird, wodurch das System verlangsamt wird.

Außerdem ist der Arbeitsspeicher mit dem Motherboard verbunden, das wiederum über Buchsen mit der CPU verbunden ist. Daher gibt es einen beträchtlichen Abstand zwischen dem RAM und der CPU, was die Zeit verlängert, in der Daten an die CPU geliefert werden.

Aus den oben genannten Gründen liefert RAM nur alle 17 Nanosekunden Daten an die CPU. Bei dieser Geschwindigkeit kann die CPU ihre Spitzenleistung nicht erreichen. Denn die CPU muss jede Viertelnanosekunde mit Daten versorgt werden, um bei einer Turbo-Boost-Frequenz von 4 Gigahertz die beste Performance zu liefern.

Um dieses Problem zu lösen, haben wir einen Cache-Speicher, ein weiteres temporäres Speichersystem, das viel schneller als der RAM ist.

Cache-Speicher erklärt

Jetzt, da wir die Einschränkungen kennen, die mit RAM einhergehen, können wir uns den Cache-Speicher ansehen und wie er das Problem löst, das mit RAM einhergeht.

In erster Linie ist auf dem Motherboard kein Cache-Speicher vorhanden. Stattdessen wird es auf der CPU selbst platziert. Aus diesem Grund werden Daten näher an der CPU gespeichert, wodurch sie schneller auf Daten zugreifen kann.

Darüber hinaus speichert der Cache-Speicher keine Daten für alle Programme, die auf Ihrem System ausgeführt werden. Stattdessen behält es nur Daten, die häufig von der CPU angefordert werden. Aufgrund dieser Unterschiede kann der Cache Daten mit erstaunlich hoher Geschwindigkeit an die CPU senden.

Darüber hinaus verwendet der Cache-Speicher im Vergleich zum RAM statische Zellen (SRAM) zum Speichern von Daten. Im Vergleich zu dynamischen Zellen müssen statische Speicher nicht aufgefrischt werden, da sie keine Kondensatoren zum Speichern von Ladungen verwenden.

Stattdessen verwendet es einen Satz von 6 Transistoren, um Informationen zu speichern. Aufgrund der Verwendung von Transistoren verliert die statische Zelle im Laufe der Zeit keine Ladung, sodass der Cache Daten mit viel höheren Geschwindigkeiten an die CPU liefern kann.

Allerdings hat auch der Cache-Speicher seine Schwächen. Zum einen ist es im Vergleich zu RAM viel teurer. Außerdem ist eine statische RAM-Zelle im Vergleich zu einem DRAM viel größer, da ein Satz von 6 Transistoren verwendet wird, um ein Informationsbit zu speichern. Dies ist wesentlich größer als das Einzelkondensatordesign der DRAM-Zelle.

Aus diesem Grund ist die Speicherdichte von SRAM viel geringer, und es ist nicht möglich, einen einzelnen SRAM mit einer großen Speichergröße auf dem CPU-Chip zu platzieren. Um dieses Problem zu lösen, wird der Cache-Speicher daher in drei Kategorien unterteilt, nämlich L1-, L2- und L3-Cache, und innerhalb und außerhalb der CPU platziert.

RAM vs. Cache-Speicher

Nachdem wir nun ein grundlegendes Verständnis von RAM und Cache haben, können wir uns ansehen, wie sie miteinander verglichen werden.

Cache-Speicher ist viel schneller als RAM

Sowohl RAM als auch Cache sind flüchtige Speichersysteme, aber beide erfüllen unterschiedliche Aufgaben. Einerseits speichert der RAM die auf Ihrem System laufenden Programme, während der Cache den RAM unterstützt, indem er häufig verwendete Daten in der Nähe der CPU speichert, was die Leistung verbessert.

Wenn Sie also nach einem System suchen, das eine hervorragende Leistung bietet, ist es wichtig, sich den Arbeitsspeicher und den Cache anzusehen, mit dem es geliefert wird. Ein hervorragendes Gleichgewicht zwischen beiden Speichersystemen ist die Quintessenz, um das Beste aus Ihrem PC herauszuholen.