CPU L1, L2, L3 캐시란? 초고속 처리의 비결

컴퓨터 성능을 확인할 때 CPU의 코어 수와 메모리 등을 확인하곤 합니다. 그에 비해 간과되지만 CPU 캐시라는 요소도 중요한 역할을 합니다. 캐시는 자주 쓰는 데이터나 명령어를 저장해 놓고 CPU가 초고속으로 액세스 할 수 있도록 하는 공간입니다. CPU 캐시가 어떻게 작동하고, 분류되는지 알아보겠습니다.

CPU 캐시란?

CPU 캐시는 자주 사용되는 데이터와 명령을 저장해서 CPU가 빠르게 액세스할 수 있도록 하는 메모리의 일종입니다. CPU는 캐시 > 메모리 > 디스크 순으로 데이터를 로드합니다. 캐시에 액세스하는 속도가 가장 빠릅니다. 그다음이 메모리입니다. 메모리가 꽉 차서 디스크에서 데이터를 로드하기 시작하면 사용자가 답답할 정도로 느려집니다. 간단히 말해 캐시는 CPU의 초고속처리 비결이라고 할 수 있습니다. 캐시는 다시 L1, L2, L3로 세분화 됩니다.

CPU 캐시 작동 방식

CPU가 데이터에 액세스 할 때 가장 먼저 L1 캐시를 확인합니다. 작업하려는 데이터가 L1 캐시에 있으면 매우 빠른 속도로 액세스해서 처리합니다. L1 캐시에서 데이터를 못 찾으면 CPU는 L2 캐시를 확인하고, 그 다음은 L3를 확인합니다. L3에서까지 데이터를 못찾으면 주 메모리에 액세스합니다. 이를 캐시 미스(cache miss)라고 표현합니다. 참고로 L1 > L2 > L3 > 주 메모리 순으로 이어지는 순서는 CPU의 처리 순서이기도 하지만 실제 물리적 거리도 순서대로 멉니다.

• L1 캐시 : CPU에서 가장 작고 가장 빠른 캐시입니다.
• L2 캐시 : L1 캐시보다 느리지만 메인 메모리보다 빠른 캐시입니다. 자주 사용하는 데이터와 명령을 저장하지만 L1 캐시만큼 자주 저장하지는 않습니다.
• L3 캐시 : 멀티 코어 프로세스의 모든 코어 간에 공유되는 캐시입니다. L2 캐시보다는 느리지만 메인 메모리보다 빠릅니다.

캐시를 굳이 L1, L2, L3로 분류하는 이유는 각 레벨별로 크기와 액세스 속도를 다르게 구축함으로써 필요한 데이터에 더 빠르고 효율적으로 액세스할 수 있도록 하기 위함입니다.

 

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CPU 캐시의 효과

CPU가 찾는 데이터가 L1 ~ L3 캐시 사이에 있으면 액세스가 빠르기 때문에 시스템 성능이 좋아집니다. 이를 위해 CPU는 캐시의 내용을 관리해서 자주 사용하는 데이터와 명령은 캐시에 저장되도록 합니다. 메인 메모리에서 캐시로 데이터와 명령을 복사하는 프로세스를 캐싱이라고 합니다.