Nếu bạn là một người yêu thích công nghệ, có lẽ bạn đã từng nghe nói về Cache và cách nó cùng với RAM giúp cho hệ thống hoạt động mượt mà hơn. Nhưng, đã bao giờ bạn tự hỏi Cache là gì? và nó có điểm gì khác biệt so với RAM? Bài viết sau đây PCMag sẽ giải đáp những thắc mắc này.
Tìm hiểu hệ thống bộ nhớ trên máy tính
Trước khi đi vào so sánh giữa RAM và Cache, quan trọng là bạn phải hiểu cơ chế hoạt động của hệ thống bộ nhớ trong máy tính.
RAM và Cache đều thuộc loại bộ nhớ không lưu trữ vĩnh viễn – tức là chúng chỉ giữ dữ liệu một cách tạm thời, và mọi dữ liệu sẽ bị xóa khi máy tính được khởi động lại hoặc tắt.
Chính vì đặc điểm này mà mỗi máy tính đều cần có hai loại hệ thống lưu trữ: bộ nhớ chính và bộ nhớ phụ. Ổ đĩa cứng là ví dụ của bộ nhớ phụ, có khả năng giữ dữ liệu ngay cả khi máy tính không còn điện. Ngược lại, bộ nhớ chính (như RAM) chỉ cung cấp dữ liệu cho CPU khi có điện.
Lý do máy tính sử dụng bộ nhớ không lưu trữ vĩnh viễn là vì tốc độ đọc và ghi dữ liệu trên chúng nhanh hơn rất nhiều so với ổ đĩa cứng.
Ví dụ, thời gian truy cập bộ nhớ phụ (như SSD) là khoảng 50 micro giây, trong khi RAM chỉ mất khoảng 17 nano giây để cung cấp dữ liệu cho CPU.
Dưới đây là quá trình dữ liệu được chuyển động qua các bộ nhớ trong máy tính:
- Bộ nhớ phụ: Nơi này lưu giữ dữ liệu một cách vĩnh viễn, nhưng tốc độ truy xuất không cao, vì thế CPU không thể lấy dữ liệu trực tiếp từ ổ cứng.
- RAM (Bộ nhớ chính): Bộ nhớ này có tốc độ cao hơn nhiều so với ổ cứng, nhưng không giữ được dữ liệu khi không có điện. Khi bạn mở một file, file đó được chuyển từ ổ cứng vào RAM.
- Cache (Bộ nhớ đệm): Đây là bộ nhớ đệm tích hợp sẵn trong CPU, là loại bộ nhớ nhanh nhất trên máy tính. Bộ nhớ đệm được phân thành ba cấp độ: L1, L2 và L3. Dữ liệu cần xử lý bởi CPU sẽ được chuyển từ ổ cứng qua RAM và sau đó đến bộ nhớ đệm. Dữ liệu không thể được CPU truy cập trực tiếp từ bộ nhớ đệm.
- Thanh ghi CPU (Bộ nhớ chính): Các thanh ghi trong CPU có kích thước nhỏ và được thiết kế dựa trên kiến trúc của bộ vi xử lý, có thể chứa 32 hoặc 64 bit dữ liệu. Khi dữ liệu được chuyển vào các thanh ghi, CPU có thể truy cập và xử lý chúng ngay lập tức.
Nguyên lý hoạt động của RAM
RAM đóng vai trò quan trọng trong việc lưu giữ và cung cấp dữ liệu cho CPU, sử dụng ô nhớ động (DRAM) để thực hiện nhiệm vụ này.
Cấu tạo của ô nhớ bao gồm một tụ điện và một transistor, với tụ điện dùng để lưu trữ điện tích. Giá trị của ô nhớ 0 hoặc 1, phụ thuộc vào điện tích của tụ điện: một tụ điện sạc đầy tương ứng với giá trị 1, và một tụ điện không sạc (xả điện) đại diện cho giá trị 0.
Tuy nhiên, vì tụ điện trong DRAM có khả năng mất điện tích theo thời gian, có nguy cơ dữ liệu bị mất. Để ngăn chặn vấn đề này, các tụ điện trong RAM được làm mới định kỳ, đảm bảo không mất dữ liệu.
Quá trình làm mới liên tục của RAM giúp nó duy trì dữ liệu khi máy tính đang hoạt động, nhưng cũng tạo ra một độ trễ do không thể gửi dữ liệu đến CPU trong thời gian làm mới. Điều này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống.
Hơn nữa, RAM được gắn vào mainboard và liên kết với CPU qua các khe cắm, tạo ra một khoảng cách vật lý giữa chúng và do đó, làm tăng thời gian truyền dữ liệu từ RAM đến CPU.
Vì lý do này, RAM chỉ có thể cung cấp dữ liệu cho CPU mỗi 17 nano giây, trong khi để đạt hiệu suất cao nhất ở tần số 4GHz, CPU cần dữ liệu mỗi 1/4 nano giây.
Đối diện với vấn đề này, bộ nhớ đệm được sử dụng như một giải pháp, với tốc độ truy cập nhanh hơn nhiều so với RAM, giúp giảm thiểu độ trễ và cải thiện hiệu suất hệ thống.
Nguyên lý hoạt động của Cache
Điểm khác biệt cơ bản và rất quan trọng, bộ nhớ Cache không được đặt trên bo mạch chủ mà được tích hợp ngay trong CPU. Điều này giúp giảm đáng kể khoảng cách so với RAM, cho phép CPU truy cập dữ liệu từ bộ nhớ đệm nhanh hơn nhiều.
Bộ nhớ Cache cũng không chứa dữ liệu của tất cả chương trình đang hoạt động trên máy tính, mà chỉ lưu giữ dữ liệu mà CPU thường xuyên yêu cầu. Nhờ vậy, bộ nhớ đệm có khả năng truyền dữ liệu tới CPU với tốc độ rất nhanh.
Thêm vào đó, khác với RAM sử dụng DRAM, Cache dùng bộ nhớ tĩnh (SRAM) cho việc lưu trữ dữ liệu. Bộ nhớ tĩnh này không cần phải được làm mới vì không dựa vào tụ điện để giữ điện tích.
Bộ nhớ tĩnh (SRAM) sử dụng sáu transistor để lưu trữ một bit thông tin, không như bộ nhớ động dựa vào tụ điện. Sự dùng của transistor giúp SRAM giữ được dữ liệu mà không lo lắng về việc mất điện tích theo thời gian, đảm bảo tốc độ cung cấp dữ liệu cho CPU nhanh chóng.
Tuy nhiên, SRAM không phải không có điểm yếu. Điểm đầu tiên là chi phí sản xuất cao hơn so với DRAM. Thêm vào đó, mỗi ô nhớ SRAM chiếm nhiều không gian hơn so với một ô nhớ DRAM.
Do đó, SRAM có mật độ thấp hơn DRAM, và việc tích hợp một lượng lớn SRAM vào trong CPU là bất khả thi. Để khắc phục, bộ nhớ Cache được phân loại thành ba cấp độ: L1, L2, và L3, mỗi loại có vị trí khác nhau, trong và ngoài CPU, để tối ưu hóa hiệu suất.
So sánh giữa RAM và Cache
| RAM | Cache | |
| Chức năng | Lưu trữ dữ liệu cho tất cả chương trình đang chạy trên hệ thống. | Lưu trữ dữ liệu được sử dụng thường xuyên bởi CPU. |
| Dung lượng | Do mật độ bộ nhớ cao, RAM có thể có dung lượng từ 2GB tới 64GB. | Do mật độ bộ nhớ thấp, Cache chỉ có thể có lưu trữ dữ liệu trong phạm vi Kilobytes hoặc Megabytes. |
| Giá thành | Rẻ hơn do thiết kế chỉ sử dụng một bóng bán dẫn và tụ điện. | Đắt hơn do thiết kế sử dụng 6 bóng bán dẫn. |
| Vị trí | Cắm trực tiếp vào mainboard và kết nối với CPU thông qua ổ cắm. | Nằm trong lõi CPU. |
| Tốc độ | Chậm hơn | Nhanh hơn. |
Tổng Kết
RAM và Cache đều là các loại bộ nhớ không lưu trữ vĩnh viễn, tuy nhiên, chúng đảm nhận những vai trò khác biệt. RAM chịu trách nhiệm lưu trữ dữ liệu cho mọi chương trình đang hoạt động trên máy, trong khi Cache chứa dữ liệu mà CPU thường xuyên sử dụng.
Việc duy trì sự cân bằng giữa RAM và Cache sẽ tối ưu hóa hiệu suất của máy tính.
