¿Cómo acelera un caché de memoria el procesamiento de la computadora?

Un caché, que es un dispositivo de almacenamiento de datos de alta velocidad, es donde un microprocesador almacena los datos que usa con más frecuencia. Al igual que pones los utensilios de cocina en la mesa de la cocina cuando estás cenando, una computadora guarda en su caché los datos que necesita usar para una aplicación específica. Si surge una nueva aplicación que requiere un uso intensivo de diferentes datos, un microprocesador traerá nuevos datos a la memoria caché para que pueda realizar las tareas que requieren estos datos de manera más eficiente.

La memoria de la computadora está diseñada en una jerarquía. Cada módulo de la jerarquía se clasifica según el tiempo que lleva acceder a los datos de un tipo específico de módulo de memoria. Se necesita la menor cantidad de tiempo para que un microprocesador acceda a los datos de la memoria caché. La memoria principal, generalmente construida con chips de memoria DRAM, tarda más en acceder a los datos que la memoria caché. La memoria flash, construida con chips de memoria flash, tardará aún más, mientras que los datos en una unidad de disco, a menudo llamada memoria virtual, tardarán más tiempo.

La velocidad de reloj de un procesador determina la velocidad máxima a la que los procesadores pueden ejecutar instrucciones. Los chips de memoria caché, debido a que están diseñados para entregar instrucciones o datos tan rápido como el microprocesador puede utilizarlos, permiten que los microprocesadores funcionen a toda velocidad. Si las instrucciones y los datos están en la memoria caché y no en la memoria principal o en la memoria de la unidad de disco, el procesador puede funcionar a su máxima velocidad de reloj de procesador especificada.

Todas las computadoras usan algoritmos de administración de memoria que almacenan datos e instrucciones de modo que se pueda acceder a los datos e instrucciones que se usan con mayor frecuencia de la manera más rápida posible. Si una computadora tiene memoria caché, el microprocesador colocará los datos y las instrucciones a las que llama con más frecuencia en la memoria caché de alta velocidad. El algoritmo de caché de memoria del microprocesador etiqueta datos e instrucciones con bits de datos que usa para determinar qué datos e instrucciones se usan con más frecuencia. El algoritmo de la memoria caché también transfiere datos e instrucciones desde la memoria caché que ya no se usan mucho para reducir la velocidad de la memoria principal.

El tamaño de la memoria caché de alta velocidad es un factor importante en la determinación de cuánto aumentará la velocidad de la computadora. Debido a que pueden almacenar muchos más datos en sus memorias de alta velocidad, los cachés muy grandes mejoran la velocidad de procesamiento de la computadora mucho más que los cachés más pequeños. Sin embargo, hay un punto de rendimientos decrecientes: en algún momento, la memoria caché más grande ya no ofrece una ganancia en la velocidad de procesamiento que compense el alto precio de una memoria caché más grande.