Mémoire cache

Une mémoire cache ou antémémoire est, en informatique, une mémoire qui enregistre temporairement des copies de données provenant d'une autre source de donnée comme les mémoires, afin de diminuer le temps d'accès (en lecture ou en écriture) d'un matériel informatique (en général, un processeur) à ces données. La mémoire cache est plus rapide et plus proche du matériel informatique qui demande la donnée, mais plus petite que la mémoire pour laquelle elle sert d'intermédiaire. Des mécanismes mettant en œuvre des mémoires caches peuvent être implémentés entre tous producteurs et consommateurs de données fonctionnant de façon asynchrone, c'est notamment le cas entre le processeur et la mémoire vive, mais aussi par exemple entre cette même mémoire et les réseaux informatiques ou les disques durs.

Les données mises en cache peuvent être par exemple un programme, un bloc d'image à traiter, etc. La mémoire source des données peut être par exemple un disque dur, la mémoire centrale, etc.

La mémoire cache est souvent très coûteuse car afin d'être la plus rapide possible, les concepteurs d'architecture informatique choisissent des technologies haut de gamme. Les plus connues des mémoires caches sont celles dont le fonctionnement est associé à celui des microprocesseurs. En effet, la taille et la performance de ces caches, qui peuvent être externes ou internes, peuvent très fortement influencer la vitesse de traitement des programmes. Dans le cas des caches internes, la place utilisée par les transistors dans le wafer conditionne le coût de fabrication des processeurs. Dans ce dernier cas, la mémoire cache est particulièrement utile si l'algorithme à exécuter implique des accès répétitifs à de petites zones de mémoires (un bout de programme qui se répète, un travail sur une sous-partie d'un fichier son, etc...) ou si le processeur est capable de prédire ses besoins futurs en données pour remplir la mémoire cache en parallèle d'un calcul, de sorte qu'elle contiendra au moment venu une copie locale des données à accès beaucoup plus rapide.

Dénomination

Mémoire cache est la même expression que celle utilisée en anglais, à savoir cache memory, l'expression est apparu dans « Structural aspects of the system/360 model 85 (II) the cache », J. S. Liptay, IBM Systems Journal, janvier 1968. Il a remplacé « slave-memory », donné par son inventeur Maurice Vincent Wilkes en 1965. L'Académie française propose plutôt le terme antémémoire. La différence entre mémoire cache et mémoire tampon réside dans le fait que la mémoire cache duplique l'information, tandis que le tampon exprime plutôt l'idée d'une salle d'attente, sans impliquer nécessairement une duplication. Le cache buffer (tampon de cache) du disque ou disk cache (cache de disque) est à la fois un tampon où transite l'information et une mémoire cache qui recopie sous forme électronique les données stockées dans le disque sous forme magnétique.

Fonctionnement

Le cache contient une copie des données originelles lorsqu'elles sont coûteuses (en termes de temps d'accès) à récupérer ou à calculer par rapport au temps d'accès au cache. Une fois les données stockées dans le cache, l'utilisation future de ces données peut être réalisée en accédant à la copie en cache plutôt qu'en récupérant ou recalculant les données, ce qui abaisse le temps d'accès moyen.

Le processus fonctionne ainsi :

1. l'élément demandeur (microprocesseur) demande une information ;
2. le cache vérifie s'il possède cette information. S'il la possède, il la retransmet à l'élément demandeur – on parle alors de succès de cache (cache hit en anglais). S'il ne la possède pas, il la demande à l'élément fournisseur (mémoire principale par exemple) – on parle alors de défaut de cache (cache miss);
3. l'élément fournisseur traite la demande et renvoie la réponse au cache ;
4. le cache la stocke pour utilisation ultérieure et la retransmet à l'élément demandeur au besoin.

Si les mémoires cache permettent d'accroître les performances, c'est en partie grâce à deux principes qui ont été découverts suite à des études sur le comportement des programmes informatiques :

1. le principe de localité spatiale qui indique que l'accès à une donnée située à une adresse X va probablement être suivi d'un accès à une zone très proche de X. C'est évidemment vrai dans le cas d'instructions exécutées en séquence.
2. le principe de localité temporelle qui indique que l'accès à une zone mémoire à un instant donné a de fortes chances de se reproduire dans la suite immédiate du programme. C'est évidemment vrai dans le cas des boucles de quelques instructions seulement.

Concernant le calcul matriciel, le cache introduit en revanche de fortes dissymétries selon qu'on accède la matrice par lignes ou par colonnes, dissymétries d'autant plus importantes que la matrice est de grande taille. Un rapport du CNUCE^[1] mentionne un écart de performances d'un facteur 8 à 10 pour des matrices dont la plus petite dimension est 50.

Divers niveaux de mémoire cache

On trouve une zone de cache :

• dans les disques durs ;
• dans les serveurs proxy (dont les squids) ;
• dans les serveurs de pages dynamiques ;
• dans les mémoires gérées par les bases de données
• dans, ou à proximité, des microprocesseurs.

Dans ce dernier cas, on différencie :

• cache de premier niveau (L1), plus rapide et plus petit (cache de données pouvant être séparé du cache d'instructions) ;
• cache de second niveau (L2), moins rapide et plus gros ;
• cache de troisième niveau (L3), encore moins rapide et encore plus gros ;

Ces derniers caches peuvent être situés dedans ou hors du microprocesseur.

Mémoire cache des microprocesseurs

Elle est très rapide, mais aussi très chère. Il s'agit souvent de SRAM.

Différents niveaux de mémoire d'un microprocesseur

La présence de mémoire cache permet d'accélérer l'exécution d'un programme. De ce fait, plus la taille de la mémoire cache est grande, plus la taille des programmes accélérés peut être élevée. Il y a cependant une limite au delà de laquelle, l'augmentation de la taille du cache ne sert plus à rien. En effet, dans les codes, il y a des branchements qui ne peuvent pas être prédits par les processeurs. A chaque branchement, la partie du code peut faire appel à une zone mémoire différente. C'est la raison pour laquelle, "l'horizon" au delà de laquelle le microprocesseur ne peut voir s'il aura besoin de certaines données limite l’efficacité du cache. La taille du cache est un élément souvent utilisé par les constructeurs pour faire varier les performances d'un produit sans changer d'autres matériels. Par exemple, pour les microprocesseurs, on trouve des séries bridées (avec une taille de mémoire cache volontairement réduite), tels que les Duron chez AMD ou Celeron chez Intel, et des séries haut de gamme avec une grande mémoire cache comme les processeurs Opteron chez AMD, ou Pentium 4EE chez Intel. Autrement dit, la taille de la mémoire cache résulte d'un compromis coût/performance.

En programmation, pour profiter de l'accélération fournie par cette mémoire très rapide, il faut que les parties de programme tiennent le plus possible dans cette mémoire cache. Comme elle varie suivant les processeurs, ce rôle d'optimisation est souvent dédié au compilateur. Cela dit, un programmeur chevronné peut écrire son code d'une manière qui optimise l'utilisation du cache.

C'est le cas des boucles très courtes qui tiennent entièrement dans les caches de données et d'instruction, par exemple le calcul suivant (écrit en langage C) :

       long i;
       double s;
       s = 0.0;
       for (i = 1; i < 50000000; i++)
           s += 1.0 / i;

Définitions

Une ligne est le plus petit élément de données qui peut être transféré entre la mémoire cache et la mémoire de niveau supérieur.

Un mot est le plus petit élément de données qui peut être transféré entre le processeur et la mémoire cache.

Différents types de défauts de cache (miss)

Il existe trois types de défauts de cache en système monoprocesseur et quatre dans les environnements multiprocesseurs. Il s'agit de :

• les défauts de cache obligatoires : ils correspondent à la première demande du processeur pour une donnée/instruction spécifique et ne peuvent être évités ;
• les défauts de cache capacitifs : l'ensemble des données nécessaires au programme excèdent la taille du cache, qui ne peut donc pas contenir toutes les données nécessaires ;
• les défauts de cache conflictuels : deux adresses distinctes de la mémoire de niveau supérieur sont enregistrées au même endroit dans le cache et s'évincent mutuellement, créant ainsi des défauts de cache ;
• les défauts de cohérence : ils sont dus à l'invalidation de lignes de la mémoire cache afin de conserver la cohérence entre les différents caches des processeurs d'un système multi-processeurs.

La correspondance (ou mapping)

La mémoire cache ne pouvant contenir toute la mémoire principale, il faut définir une méthode indiquant à quelle adresse de la mémoire cache doit être écrite une ligne de la mémoire principale. Cette méthode s'appelle le mapping. Il existe trois types de mapping répandus dans les caches aujourd'hui :

• les mémoires caches complètement associatives (fully associative cache) ;
• les mémoires caches N-associatives (N-way set associative cache) ;
• les mémoires caches directes (direct mapped cache).

Cache pleinement associatif (fully associative cache)

Chaque ligne de la mémoire de niveau supérieur peut être écrite à n'importe quelle adresse de la mémoire cache. Cette méthode requiert beaucoup de logique car elle donne accès à de nombreuses possibilités. Ceci explique pourquoi l'associativité complète n'est utilisée que dans les mémoires cache de petite taille (typiquement de l'ordre de quelques kibioctets). Cela donne le découpage suivant de l'adresse :

Cache à correspondance préétablie (direct-mapped cache)

Chaque ligne de la mémoire principale ne peut être enregistrée qu'à une seule adresse de la mémoire cache, par exemple associée au modulo de son adresse. Cela crée de nombreux défauts de cache si le programme accède à des données en collision sur les mêmes adresses de la mémoire cache. La sélection de la ligne où la donnée sera enregistrée est habituellement obtenue par: Ligne = Adresse mod Nombre de lignes.

Mapping direct

Une ligne de cache est partagée par de nombreuses adresses de la mémoire de niveau supérieur. Il nous faut donc un moyen de savoir quelle donnée est actuellement dans le cache. Cette information est donnée par le tag, qui est une information supplémentaire stockée dans le cache. L'index correspond à la ligne où est enregistrée la donnée. En outre, le contrôleur de la mémoire cache doit savoir si une adresse donnée contient une donnée ou non. Un bit additionnel (appelé bit de validité) est chargé de cette information.

Prenons l'exemple d'une adresse de 32 bits donnant accès à une mémoire adressable par octet, d'une taille de ligne de 256 bits et d'une mémoire cache de 2^s kibioctets. La mémoire cache contient donc 2^{s + 13} bits. Sachant qu'une ligne est de 256 bits, nous déduisons qu'il y a 2^{s + 5} lignes stockables en mémoire cache. Par conséquent, l'index est de s+5 bits.

L'adresse de 32 bits permet d'accéder à une mémoire de 2³² octets, soit 2³⁵ bits. L'index étant de s+5 bits, il faut distinguer 2^{22 − s} éléments de la mémoire principale par ligne de cache. Le tag est donc de 22-s bits.

De plus, une ligne a une taille de 256 bits soit 32 octets. La mémoire étant adressable par octet, cela implique un offset de 5 bits. L'offset est le décalage à l'intérieur d'une ligne pour accéder à un octet particulier. Ces calculs donnent le découpage de l'adresse suivant pour une mémoire cache mappée directement :

Le mapping direct est une stratégie simple mais peu efficace car elle crée de nombreux défauts de cache conflictuels. Une solution est de permettre à une adresse de la mémoire principale d'être enregistrée à un nombre limité d'adresses de la mémoire cache. Cette solution est présentée dans la section suivante.

N-way set associative cache

N-way set associative cache

Il s'agit d'un compromis entre le mapping direct et complètement associatif essayant d'allier la simplicité de l'un et l'efficacité de l'autre.

La mémoire cache est divisée en ensembles (sets) de N lignes de cache. Un ensemble est représenté sur la figure ci-jointe par l'union des rectangles rouges. Une ligne de la mémoire de niveau supérieur est affectée à un ensemble, elle peut par conséquent être écrite dans n'importe laquelle des voies. Ceci permet d'éviter de nombreux défauts de cache conflictuels. À l'intérieur d'un ensemble, le mapping est Direct Mapped, alors que le mapping des N Sets est Full Associative. En général, la sélection de l'ensemble est effectuée par : Ensemble = Adresse mémoire mod (Nombre d'ensembles).

Reprenons l'exemple de la section précédente (mémoire cache de 2^s kibioctets) mais constitué de 2ⁿ voies. Le nombre de voies est en effet toujours une puissance de 2 afin d'obtenir un découpage simple de l'adresse mémoire. La mémoire cache contient donc 2^{s + 13 − n} bits par voie. Sachant qu'une ligne représente 256 bits, il y a donc 2^{s + 5 − n} lignes par ensemble. L'index est donc de s-n+5 bits.

Les mémoires considérées ici sont adressables par octet. Par conséquent, les adresses de 32 bits donnent accès à une mémoire de 2³⁵ bits, soit l'équivalent de 2²⁷ lignes de mémoire cache. Ainsi, chaque ensemble de la mémoire cache contient 2^{22 − s + n} lignes distinctes. Le tag est donc de 22-s+n bits. Le découpage de l'adresse est alors :

Caches unifiés ou caches séparés

Pour fonctionner, un processeur a besoin de données et d'instructions. Il existe donc deux solutions pour l'implémentation des mémoires cache :

• le cache unifié : données et instructions sont enregistrées dans la même mémoire cache ;
• les caches séparés de données et d'instructions.

Séparer données et instructions permet notamment d'augmenter la fréquence de fonctionnement du processeur, qui peut ainsi accéder simultanément à une donnée et une instruction. Cette situation est particulièrement courante pour des Load/Store. Ceci explique que le cache unifié est souvent le maillon faible du système. De plus, dans un cache unifié, une logique supplémentaire donnant la priorité aux données ou aux instructions doit être introduite, ce qui n'est pas le cas pour les caches séparés.

Là où on sait que les instructions ne sont pas modifiables par le programme (ce qui fait partie des bonnes pratiques), on pourrait en théorie se passer du dirty bit. Cependant les programmes demandant des performances élevées (pilotes de périphériques rapides, par exemple) prennent parfois des libertés à cet égard, ce qui oblige à la prudence. Tout au plus, on sait que les instructions - à la différence des données - seront rarement ou très rarement modifiées, et on peut optimiser les circuits en conséquence.

En cas de modifications des instructions par le programme, les caches séparés introduisent un problème de cohérence du cache d'instructions: le programme doit alors invalider lui-même les entrées correspondantes dans le cache d'instruction pour provoquer leur mise à jour avant d'exécuter les instructions modifiées, sans quoi une version précédente de ces instructions pourrait être prise en compte et exécutée par le processeur (voire quelque mélange imprévisible des nouvelles instructions et des anciennes).

En 2011, la solution la plus répandue est la séparation des caches, car elle permet entre autres d'appliquer des optimisations spécifiques à chaque cache en fonction de son type d'accès.

Politique d'écriture dans la mémoire de niveau supérieur

Quand une donnée se situe dans le cache, le système en possède deux copies : une dans la mémoire de niveau supérieur (disons la mémoire principale) et une dans la mémoire cache. Quand la donnée est modifiée localement, plusieurs politiques de mise à jour existent :

• Écriture immédiate (write-through) : la donnée est écrite à la fois dans le cache et dans la mémoire principale. La mémoire principale et le cache ont à tout moment une valeur identique, simplifiant ainsi de nombreux protocoles de cohérence ;

• Écriture différée (write-back) : l'information n'est écrite dans la mémoire principale que lorsque la ligne disparaît du cache (invalidée par d'autres processeurs, évincée pour écrire une autre ligne...). Cette technique est la plus répandue car elle permet d'éviter de nombreuses écritures mémoires inutiles. Pour ne pas avoir à écrire des informations qui n'ont pas été modifiées (et ainsi éviter d'encombrer inutilement le bus), chaque ligne de la mémoire cache est pourvue d'un bit indiquant la modification (bit dirty). Lorsque la ligne est modifiée dans le cache, ce bit est positionné à 1, indiquant qu'il faudra réécrire la donnée dans la mémoire principale. L'écriture différée nécessite bien entendu des précautions particulières lorsqu'on l'utilise pour des supports amovibles ("Retrait du volume en toute sécurité" avec purge - flush - du cache).

Algorithmes de remplacement des lignes de cache

Article détaillé : Algorithmes de remplacement des lignes de cache.

Les caches associatifs de N voies et complètement associatifs impliquent le mapping de différentes lignes de la mémoire de niveau supérieur sur le même set. Ainsi, lorsque le set de lignes de la mémoire cache, où une ligne de la mémoire supérieure peut être mappée, est rempli, il faut désigner la ligne qui sera effacée au profit de la ligne nouvellement écrite. Le but de l'algorithme de remplacement des lignes de cache est de choisir cette ligne de manière optimale. Ces algorithmes doivent être implémentés en hardware pour les mémoires caches de bas niveau afin d'être les plus rapides possible et de ne pas ralentir le processeur. Cependant, ils peuvent être implémentés en software pour des caches de niveau supérieur.

La majorité des algorithmes reposent sur le principe de localité pour tenter de prévoir le futur à partir du passé. Certains des algorithmes de remplacement des lignes de mémoire cache les plus répandus sont :

• aléatoires pour la simplicité de la création de l'algorithme ;
• FIFO(First In First Out) pour sa simplicité de conception ;
• LRU (Least Recently Used) qui mémorise la liste des derniers éléments accédés...

Gestion d'un cache à niveau logiciel

Au-delà de ces systèmes matériels de gestion d'un cache, le terme de mémoire cache est aussi utilisé par abus de langage pour désigner tout mécanisme mis en œuvre dans un logiciel afin de permettre une réutilisation rapide de données déjà transférées auparavant.

Par exemple, tout système d'exploitation moderne possède, à l'interface entre les systèmes de fichiers et les pilotes chargés du stockage de masse, une sous-entité dont le but est de garder en mémoire vive les données récemment lues ou écrites ; cela permet d'éviter les entrées/sorties inutiles avec le stockage de masse, car celles-ci sont généralement plus lentes que celles avec la mémoire vive.

Le principe est le suivant :

• lorsqu'une demande d'écriture (respectivement : de lecture) est faite au système de fichiers, celui-ci demande au système de gestion de la mémoire de marquer la zone mémoire source (respectivement : destination) avec un identifiant unique (la position des données sur le disque dur par exemple) ;
• si une demande de lecture intervient par la suite, le système de fichiers n'effectue pas le transfert immédiatement, mais demande au système de gestion de la mémoire si les données sont par hasard déjà en mémoire. Si ce n'est pas le cas, ce n'est pas grave et le transfert commence comme si de rien n'était. Par contre, si la réponse est positive, alors un temps précieux a été gagné pour le transfert et le disque dur a été libéré d'un transfert inutile.

La cohérence est garantie si à tout transfert est associé un marquage des données en mémoire. Évidemment, un algorithme est chargé (basé sur des critères d'âge et de réutilisation des données) de choisir quelles sont les données susceptibles de rester dans le cache ou bien d'être supprimées.

Notes et références

1. ↑ Linear algebra problems with APL2 : performance comparison on different platforms, Renzo Beltrame, rapport CNUCE (Centro Nazionale Universitario di Calcalo Electronico) C97-26, 1997

Voir aussi

Articles connexes

• Protocole de cohérence de cache
• RAID
• Algorithmes de remplacement des lignes de cache
• Cache d'instructions et Cache-Control.
• Il existe d'autres techniques d'accélération de la communication comme la parallélisation.
• Akamai Technologies est une entreprise américaine spécialisée dans le cache des grands sites internet.
• Les contenus de Wikipédia transitent par des caches. Voir Wikipédia:Statut des serveurs.
• Liste de caches logiciels
• ThreadSpotter, outil de détection et de résolution de problèmes de performances liés au cache.