Chúng ta đã nghe nhiều về RAM và bộ nhớ cache, chúng đều là bộ nhớ nhưng đâu là điểm khác biệt?

Nếu là người đam mê công nghệ, bạn có thể đã nghe nói về bộ nhớ cache và cách chúng hoạt động với RAM để giúp hệ thống của laptop chạy nhanh hơn. Nhưng có bao giờ bạn thắc mắc cache là gì và nó khác với RAM như thế nào không?

Tìm hiểu hệ thống bộ nhớ trên máy tính

Trước khi bắt đầu so sánh RAM với bộ nhớ đệm, điều quan trọng là phải hiểu hệ thống bộ nhớ trên máy tính được thiết kế như thế nào.

Bạn thấy đấy, cả RAM và cache đều là hệ thống lưu trữ bộ nhớ tạm thời. Điều này có nghĩa là cả hai hệ thống lưu trữ này đều có thể lưu trữ dữ liệu tạm thời và chỉ hoạt động khi chúng được cấp điện. Do đó, khi bạn tắt máy tính, tất cả dữ liệu được lưu trữ trong RAM và cache sẽ bị xóa.

Vì lý do này, bất kỳ thiết bị máy tính nào cũng có hai loại hệ thống lưu trữ khác nhau, đó là bộ nhớ chính và bộ nhớ phụ. Ổ đĩa là bộ nhớ thứ cấp trên hệ thống máy tính nơi bạn lưu các tệp của mình, có khả năng lưu trữ dữ liệu khi tắt nguồn. Mặt khác, hệ thống bộ nhớ chính cung cấp dữ liệu cho CPU khi được bật.

Nhưng tại sao trên máy tính có hệ thống bộ nhớ không thể lưu trữ dữ liệu khi tắt máy? Đúng vậy, có một lý do lớn giải thích tại sao các hệ thống lưu trữ chính lại cần thiết cho máy tính.

Mặc dù bộ nhớ chính trên hệ thống của bạn không có khả năng lưu trữ dữ liệu khi không có điện, nhưng chúng nhanh hơn nhiều khi so sánh với các hệ thống lưu trữ thứ cấp. Về số lượng, các hệ thống lưu trữ thứ cấp như SSD có thời gian truy cập là 50 micro giây (1 giây [s] = 1.000.000 Micro giây [µs]).

Ngược lại, các hệ thống bộ nhớ chính, chẳng hạn như bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên, có thể cung cấp dữ liệu cho CPU sau mỗi 17 nano giây (1 Nano giây [ns] = 0,000000001 giây [s]). Do đó, hệ thống bộ nhớ sơ cấp nhanh hơn gần 3.000 lần so với hệ thống lưu trữ thứ cấp.

Do sự khác biệt về tốc độ này, các hệ thống máy tính đi kèm với hệ thống phân cấp bộ nhớ, cho phép dữ liệu được chuyển đến CPU với tốc độ nhanh đáng kinh ngạc.

Đây là cách dữ liệu di chuyển qua các hệ thống bộ nhớ trong một máy tính hiện đại:

Ổ đĩa lưu trữ (Bộ nhớ thứ cấp): Thiết bị này có thể lưu trữ dữ liệu vĩnh viễn nhưng không nhanh bằng CPU. Do đó, CPU không thể truy cập dữ liệu trực tiếp từ hệ thống lưu trữ thứ cấp.

RAM (Bộ nhớ chính): Hệ thống lưu trữ này nhanh hơn hệ thống lưu trữ thứ cấp nhưng không thể lưu trữ dữ liệu vĩnh viễn. Do đó, khi bạn mở một tệp trên hệ thống của mình, tệp đó sẽ di chuyển từ ổ cứng sang RAM. Điều đó cho thấy ngay cả RAM cũng không đủ nhanh cho CPU.

Bộ nhớ cache (Bộ nhớ chính): Để giải quyết vấn đề này, một loại bộ nhớ chính cụ thể được gọi là bộ nhớ cache được nhúng trong CPU và là hệ thống bộ nhớ nhanh nhất trên máy tính. Hệ thống bộ nhớ này được chia thành 3 phần, cụ thể là bộ đệm L1, L2 và L3. Do đó, bất kỳ dữ liệu nào cần được CPU xử lý sẽ di chuyển từ ổ cứng sang RAM rồi đến bộ nhớ cache. Điều đó nói rằng, CPU không thể truy cập dữ liệu trực tiếp từ bộ đệm.

Thanh ghi CPU (Bộ nhớ chính): Thanh ghi CPU trên thiết bị điện toán có kích thước nhỏ và dựa trên kiến ​​trúc bộ xử lý. Các thanh ghi này có thể chứa 32 hoặc 64 bit dữ liệu. Khi dữ liệu di chuyển vào các thanh ghi này, CPU có thể truy cập nó và thực hiện tác vụ trong tầm tay.

Hiểu về RAM và cách thức hoạt động của nó

Như đã giải thích trước đó, bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên trên thiết bị chịu trách nhiệm lưu trữ và cung cấp dữ liệu cho CPU cho các chương trình trên máy tính. Để lưu trữ dữ liệu này, bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên sử dụng ô nhớ động (DRAM).

Tế bào này được tạo ra bằng cách sử dụng một tụ điện và một bóng bán dẫn. Tụ điện trong cách sắp xếp này được sử dụng để lưu trữ điện tích và dựa trên trạng thái điện tích của tụ điện; ô nhớ có thể chứa 1 hoặc 0.

Nếu tụ điện được sạc đầy, nó được cho là lưu trữ giá trị 1. Mặt khác, khi nó xả điện, nó được cho là lưu trữ giá trị 0. Mặc dù tế bào DRAM có khả năng lưu trữ điện tích, nhưng thiết kế bộ nhớ này có những sai sót.

Vì RAM sử dụng các tụ điện để lưu trữ điện tích, nên nó có xu hướng mất điện tích mà nó đã lưu trữ trong đó. Do đó, dữ liệu được lưu trữ trong RAM có thể bị mất. Để giải quyết vấn đề này, điện tích được lưu trữ trong các tụ điện được làm mới bằng cách sử dụng bộ khuếch đại cảm giác, ngăn không cho RAM làm mất thông tin được lưu trữ.

Mặc dù việc làm mới các lần sạc này cho phép RAM lưu trữ dữ liệu khi máy tính được bật, nhưng nó gây ra độ trễ trong hệ thống vì RAM không thể truyền dữ liệu đến CPU khi nó đang được làm mới làm chậm hệ thống.

Ngoài ra, RAM được kết nối với bo mạch chủ, do đó, được kết nối với CPU bằng các ổ cắm. Do đó, có một khoảng cách đáng kể giữa RAM và CPU, làm tăng thời gian dữ liệu được gửi đến CPU.

Vì những lý do nêu trên, RAM chỉ cung cấp dữ liệu cho CPU sau mỗi 17 nano giây. Ở tốc độ đó, CPU không thể đạt hiệu suất cao nhất. Điều này là do CPU cần được cung cấp dữ liệu mỗi 1/4 nano giây để mang lại hiệu suất tốt nhất khi chạy ở tần số tăng áp turbo là 4 Gigahertz.

Để giải quyết vấn đề này, chúng ta có bộ nhớ cache, một hệ thống lưu trữ tạm thời khác nhanh hơn nhiều so với RAM.

Giải thích về bộ nhớ cache

Bây giờ chúng ta đã biết về những lưu ý đi kèm với RAM, chúng ta có thể xem xét bộ nhớ cache và cách nó giải quyết vấn đề xảy ra với RAM.

Đầu tiên và quan trọng nhất, bộ nhớ cache không có trên bo mạch chủ. Thay vào đó, nó được đặt trên chính CPU. Do đó, dữ liệu được lưu trữ gần CPU hơn cho phép CPU truy cập dữ liệu nhanh hơn.

Ngoài ra, bộ nhớ cache không lưu trữ dữ liệu cho tất cả các chương trình đang chạy trên hệ thống của bạn. Thay vào đó, nó chỉ giữ dữ liệu được CPU yêu cầu thường xuyên. Do những khác biệt này, bộ đệm có thể gửi dữ liệu tới CPU với tốc độ nhanh đáng kinh ngạc.

Hơn nữa, so với RAM, bộ nhớ cache sử dụng các ô tĩnh (SRAM) để lưu trữ dữ liệu. So với các ô động, bộ nhớ tĩnh không cần làm mới vì chúng không sử dụng tụ điện để lưu trữ điện tích.

Thay vào đó, nó sử dụng một bộ 6 bóng bán dẫn để lưu trữ thông tin. Do sử dụng bóng bán dẫn, ô tĩnh không bị mất điện tích theo thời gian, giúp bộ đệm cung cấp dữ liệu cho CPU với tốc độ nhanh hơn nhiều.

Điều đó nói rằng, bộ nhớ cache cũng có sai sót của nó. Thứ nhất, nó đắt hơn nhiều so với RAM. Ngoài ra, một ô RAM tĩnh lớn hơn nhiều so với DRAM, vì một bộ 6 bóng bán dẫn được sử dụng để lưu trữ một bit thông tin. Con số này lớn hơn đáng kể so với thiết kế tụ điện đơn của tế bào DRAM.

Do đó, mật độ bộ nhớ của SRAM thấp hơn nhiều và việc đặt một SRAM duy nhất có kích thước lưu trữ lớn trên khuôn CPU là không thể. Do đó, để giải quyết vấn đề này, bộ nhớ cache được chia thành 3 loại là cache L1, L2 và L3 và được đặt bên trong và bên ngoài CPU.

So sánh RAM và bộ nhớ cache

Bây giờ chúng ta đã hiểu cơ bản về RAM và cache, chúng ta có thể xem chúng so sánh với nhau như thế nào.

Bộ nhớ cache nhanh hơn nhiều so với RAM

Cả RAM và bộ đệm đều là hệ thống bộ nhớ tạm thời, nhưng cả hai đều phục vụ các tác vụ đặc biệt. Một mặt, RAM lưu trữ các chương trình đang chạy trên hệ thống của máy tính, trong khi bộ đệm ẩn hỗ trợ RAM bằng cách lưu trữ dữ liệu được sử dụng thường xuyên gần CPU để cải thiện hiệu suất.

Do đó, nếu bạn đang tìm kiếm một chiếc laptop mang lại hiệu năng tuyệt vời thì điều cần thiết là xem xét RAM và bộ nhớ cache đi kèm với nó. Sự cân bằng vượt trội giữa cả hai hệ thống bộ nhớ là điều cần thiết để tận dụng tối đa máy tính của bạn.

Thanh Ngọc (Theo Thương Hiệu và Pháp Luật)