Дюймы
Дюйм (обозначается как «in») — единица измерения длины, соответствует 1⁄12 фута или 1⁄36 ярда. Хотя традиционные стандарты точной длины дюйма менялись, сейчас она равна 25,4 мм. Дюйм широко используется как мера длины в США, Канаде и Великобритании.

Сантиметры
Сантиметр (обозначается как «см») — единица длины в метрической системе, она занимает равную позицию по значимости и распространенности с граммом и секундой в СИ. Сантиметр (0.01 (или 1E-2) метра) – наиболее применяемая мера длины.

Калькулятор расстояний и длин

Конвертировать из

Конвертировать в

Результат преобразования:

Часто используемые калькуляторы расстояний и мер длины

Точки Лагранжа — Википедия

Точки Лагра́нжа, точки либра́ции (лат. librātiō — раскачивание) или L-точки — точки в системе из двух массивных тел, в которых третье тело с пренебрежимо малой массой, не испытывающее воздействия никаких других сил, кроме гравитационных, со стороны двух первых тел, может оставаться неподвижным относительно этих тел.

Более точно точки Лагранжа представляют собой частный случай при решении так называемой ограниченной задачи трёх тел — когда орбиты всех тел являются круговыми и масса одного из них намного меньше массы любого из двух других. В этом случае можно считать, что два массивных тела обращаются вокруг их общего центра масс с постоянной угловой скоростью. В пространстве вокруг них существуют пять точек, в которых третье тело с пренебрежимо малой массой может оставаться неподвижным во вращающейся системе отсчёта, связанной с массивными телами. В этих точках гравитационные силы, действующие на малое тело, уравновешиваются центробежной силой.

Точки Лагранжа получили своё название в честь математика Жозефа Луи Лагранжа, который первым^[1] в 1772 году привёл решение математической задачи, из которого следовало существование этих особых точек.

Все точки Лагранжа лежат в плоскости орбит массивных тел и обозначаются заглавной латинской буквой L с числовым индексом от 1 до 5. Первые три точки расположены на линии, проходящей через оба массивных тела. Эти точки Лагранжа называются коллинеарными и обозначаются L₁, L₂ и L₃. Точки L₄ и L₅ называются треугольными или троянскими. Точки L₁, L₂, L₃ являются точками неустойчивого равновесия, в точках L₄ и L₅ равновесие устойчивое.

L₁ находится между двумя телами системы, ближе к менее массивному телу; L₂ — снаружи, за менее массивным телом; и L₃ — за более массивным. В системе координат с началом отсчета в центре масс системы и с осью, направленной от центра масс к менее массивному телу, координаты этих точек в первом приближении по α рассчитываются с помощью следующих формул^[2]:

r1=(R[1−(α3)1/3],0){\displaystyle r_{1}=\left(R\left[1-\left({\frac {\alpha }{3}}\right)^{1/3}\right],0\right)}

r2=(R[1+(α3)1/3],0){\displaystyle r_{2}=\left(R\left[1+\left({\frac {\alpha }{3}}\right)^{1/3}\right],0\right)}

r3=(−R[1+512α],0){\displaystyle r_{3}=\left(-R\left[1+{\frac {5}{12}}\alpha \right],0\right)}

где α=M2M1+M2{\displaystyle \alpha ={\frac {M_{2}}{M_{1}+M_{2}}}},

R — расстояние между телами,

M₁ — масса более массивного тела,

M₂ — масса второго тела.

L₁[править | править код]

Точка L₁ лежит на прямой, соединяющей два тела с массами M₁ и M₂ (M₁ > M₂), и находится между ними, вблизи второго тела. Её наличие обусловлено тем, что гравитация тела M₂ частично компенсирует гравитацию тела M₁. При этом чем больше M₂, тем дальше от него будет располагаться эта точка.

Пример: Объекты, которые движутся вокруг Солнца ближе, чем Земля, как правило, имеют меньшие орбитальные периоды, чем у Земли, если они не входят в зону влияния земного притяжения. Если объект находится непосредственно между Землёй и Солнцем, то действие земной силы тяжести отчасти компенсирует влияние гравитации Солнца, за счёт этого происходит увеличение орбитального периода объекта. Причём чем ближе к Земле находится объект, тем сильнее этот эффект. И наконец, на определённом приближении к планете — в точке L₁ — действие земной силы тяжести уравновешивает влияние солнечной гравитации настолько, что период обращения объекта вокруг Солнца становится равным периоду обращения Земли. Для нашей планеты расстояние до точки L₁ составляет около 1,5 млн км. Притяжение Солнца здесь (118 мкм/с²) на 2 % сильнее, чем на орбите Земли (116 мкм/с²), тогда как снижение требуемой центростремительной силы вдвое меньше (59 мкм/с²). Сумма этих двух эффектов уравновешивается притяжением Земли, которое составляет здесь также 177 мкм/с².

Использование

В системе Солнце—Земля точка L₁ может быть идеальным местом для размещения космической обсерватории для наблюдения Солнца, которое в этом месте никогда не перекрывается ни Землёй, ни Луной. Первым аппаратом, работавшим вблизи этой точки, был запущенный в августе 1978 года аппарат ISEE-3. Аппарат вышел на периодическую гало-орбиту вокруг этой точки 20 ноября 1978 года^[3] и был сведён с этой орбиты 10 июня 1982 года (для исполнения новых задач)^[4]. На такой же орбите с мая 1996 года работает аппарат SOHO. Аппараты ACE, WIND и DSCOVR находятся на квази-периодических орбитах Лиссажу́ близ этой же точки, соответственно, с 12 декабря 1997^[5], 16 ноября 2001 и 8 июня 2015 года^[6]. В 2016-2017 годах также в окрестностях этой точки проводил эксперименты аппарат LISA Pathfinder.^[7]

Лунная точка L₁ (в системе Земля — Луна; удалена от центра Земли примерно на 315 тыс.км^[8]) может стать идеальным местом для строительства космической пилотируемой орбитальной станции, которая, располагаясь на пути между Землёй и Луной, позволила бы легко добраться до Луны с минимальными затратами топлива и стать ключевым узлом грузового потока между Землёй и её спутником^[9].

L₂[править | править код]

Точка L₂ лежит на прямой, соединяющей два тела с массами M₁ и M₂ (M₁ > M₂), и находится за телом с меньшей массой. Точки L₁ и L₂ располагаются на одной линии и в пределе M₁ ≫ M₂ симметричны относительно M₂. В точке L₂ гравитационные силы, действующие на тело, компенсируют действие центробежных сил во вращающейся системе отсчёта.

Пример: у объектов, расположенных за орбитой Земли (от Солнца), орбитальный период почти всегда больше, чем у Земли. Но дополнительное влияние на объект силы тяжести Земли, помимо действия солнечной гравитации, приводит к увеличению скорости вращения и уменьшению времени оборота вокруг Солнца, в результате в точке L₂ орбитальный период объекта становится равным орбитальному периоду Земли.

Точка L₂ в системе Солнце — Земля является идеальным местом для строительства орбитальных космических обсерваторий и телескопов. Поскольку объект в точке L₂ способен длительное время сохранять свою ориентацию относительно Солнца и Земли, производить его экранирование и калибровку становится гораздо проще. Однако эта точка расположена немного дальше земной тени (в области полутени)^{[прим. 1]}, так что солнечная радиация блокируется не полностью. На гало-орбитах вокруг этой точки на данный момент (2020 год) находятся аппараты Gaia и Спектр-РГ. Ранее там действовали такие телескопы как «Планк» и «Гершель», в дальнейшем туда планируется направить еще несколько телескопов, включая Джеймс Уэбб (в 2021 году).

Точка L₂ в системе Земля—Луна может быть использована для обеспечения спутниковой связи с объектами на обратной стороне Луны, а также быть удобным местом для размещения заправочной станции для обеспечения грузопотока между Землёй и Луной

Если M₂ много меньше по массе, чем M₁, то точки L₁ и L₂ находятся на примерно одинаковом расстоянии r от тела M₂, равном радиусу сферы Хилла :

r≈RM23M13{\displaystyle r\approx R{\sqrt[{3}]{\frac {M_{2}}{3M_{1}}}}}

где R — расстояние между компонентами системы.

Это расстояние можно описать как радиус круговой орбиты вокруг M₂, для которой период обращения в отсутствие M₁ в 3≈1.73{\displaystyle {\sqrt {3}}\approx 1.73} раз меньше, чем период обращения M₂ вокруг M₁.

Примеры[править | править код]

L₃[править | править код]

Точка L₃ лежит на прямой, соединяющей два тела с массами M₁ и M₂ (M₁ > M₂), и находится за телом с бо́льшей массой. Так же, как для точки L₂, в этой точке гравитационные силы компенсируют действие центробежных сил.

Пример: точка L₃ в системе Солнце — Земля находится за Солнцем, на противоположной стороне земной орбиты. Однако, несмотря на свою малую (по сравнению с cолнечной) гравитацию, Земля всё же оказывает там небольшое влияние, поэтому точка L₃ находится не на самой орбите Земли, а чуть ближе к Солнцу (на 2 тыс. км, или около 0,002 %)^[10], так как вращение происходит не вокруг Солнца, а вокруг барицентра^[10]. В результате в точке L₃ достигается такое сочетание гравитации Солнца и Земли, что объекты, находящиеся в этой точке, движутся с таким же орбитальным периодом, как и наша планета.

До начала космической эры среди писателей-фантастов была очень популярна идея о существовании на противоположной стороне земной орбиты в точке L₃ другой аналогичной ей планеты, называемой «Противоземлёй», которая из-за своего расположения была недоступна для прямых наблюдений. Однако на самом деле из-за гравитационного влияния других планет точка L₃ в системе Солнце — Земля является крайне неустойчивой. Так, во время гелиоцентрических соединений Земли и Венеры по разные стороны Солнца, которые случаются каждые 20 месяцев, Венера находится всего в 0,3 а.е. от точки L₃ и таким образом оказывает очень серьёзное влияние на её расположение относительно земной орбиты. Кроме того, из-за несбалансированности^{[прояснить]} центра тяжести системы Солнце — Юпитер относительно Земли и эллиптичности земной орбиты, так называемая «Противоземля» всё равно время от времени была бы доступна для наблюдений и обязательно была бы замечена. Ещё одним эффектом, выдающим её существование, была бы её собственная гравитация: влияние тела размером уже порядка 150 км и более на орбиты других планет было бы заметно^[11]. С появлением возможности производить наблюдения с помощью космических аппаратов и зондов было достоверно показано, что в этой точке нет объектов размером более 100 м^[12].

Орбитальные космические аппараты и спутники, расположенные вблизи точки L₃, могут постоянно следить за различными формами активности на поверхности Солнца — в частности, за появлением новых пятен или вспышек, — и оперативно передавать информацию на Землю (например, в рамках системы раннего предупреждения о космической погоде NOAA Space Weather Prediction Center^[en]). Кроме того, информация с таких спутников может быть использована для обеспечения безопасности дальних пилотируемых полётов, например к Марсу или астероидам. В 2010 году были изучены несколько вариантов запуска подобного спутника^[13]

L₄ и L₅[править | править код]

Если на основе линии, соединяющей оба тела системы, построить два равносторонних треугольника, две вершины которых соответствуют центрам тел M₁ и M₂, то точки L₄ и L₅ будут соответствовать положению третьих вершин этих треугольников, расположенных в плоскости орбиты второго тела в 60 градусах впереди и позади него.

Наличие этих точек и их высокая стабильность обусловливается тем, что, поскольку расстояния до двух тел в этих точках одинаковы, то силы притяжения со стороны двух массивных тел соотносятся в той же пропорции, что их массы, и таким образом результирующая сила направлена на центр масс системы; кроме того, геометрия треугольника сил подтверждает, что результирующее ускорение связано с расстоянием до центра масс той же пропорцией, что и для двух массивных тел. Так как центр масс является одновременно и центром вращения системы, результирующая сила точно соответствует той, которая нужна для удержания тела в точке Лагранжа в орбитальном равновесии с остальной системой. (На самом деле, масса третьего тела и не должна быть пренебрежимо малой). Данная треугольная конфигурация была обнаружена Лагранжем во время работы над задачей трёх тел. Точки L₄ и L₅ называют треугольными (в отличие от коллинеарных).

Также точки называют троянскими: это название происходит от троянских астероидов Юпитера, которые являются самым ярким примером проявления этих точек. Они были названы в честь героев Троянской войны из «Илиады» Гомера, причём астероиды в точке L₄ получают имена греков, а в точке L₅ — защитников Трои; поэтому их теперь так и называют «греками» (или «ахейцами») и «троянцами».

Расстояния от центра масс системы до этих точек в координатной системе с центром координат в центре масс системы рассчитываются по следующим формулам:

r4=(R2β,3R2){\displaystyle r_{4}=\left({\frac {R}{2}}\beta ,{\frac {{\sqrt {3}}R}{2}}\right)}

r5=(R2β,−3R2){\displaystyle r_{5}=\left({\frac {R}{2}}\beta ,-{\frac {{\sqrt {3}}R}{2}}\right)}

где

β=M1−M2M1+M2{\displaystyle \beta ={\frac {M_{1}-M_{2}}{M_{1}+M_{2}}}},

R — расстояние между телами,

M₁ — масса более массивного тела,

M₂ — масса второго тела.

Примеры[править | править код]

• В 2010 году в системе Солнце — Земля в троянской точке L₄ обнаружен астероид^[14]. В L₅ пока не обнаружено троянских астероидов, но там наблюдается довольно большое скопление межпланетной пыли.
• По некоторым наблюдениям, в точках L₄ и L₅ системы Земля — Луна находятся очень разрежённые скопления межпланетной пыли — облака Кордылевского.
• В системе Солнце — Юпитер в окрестностях точек L₄ и L₅ находятся так называемые троянские астероиды. По состоянию на 21 октября 2010 известно около четырёх с половиной тысяч астероидов в точках L₄ и L₅^[15].
• Троянские астероиды в точках L₄ и L₅ есть не только у Юпитера, но и у других планет-гигантов^[16].
• Другим интересным примером является спутник Сатурна Тефия, в точках L₄ и L₅ которой находятся два небольших спутника — Телесто и Калипсо. Ещё одна пара спутников известна в системе Сатурн — Диона: Елена в точке L₄ и Полидевк в точке L₅. Тефия и Диона в сотни раз массивнее своих «подопечных», и гораздо легче Сатурна, что делает систему стабильной.
• Один из сценариев модели ударного формирования Луны предполагает, что гипотетическая протопланета (планетезималь) Тейя, в результате столкновения которой с Землёй образовалась Луна, сформировалась в точке Лагранжа L₄ или L₅ системы Солнце — Земля^[17].
• Первоначально считалось, что в системе Kepler-223 две из четырёх планет обращаются вокруг своего солнца по одной орбите на расстоянии 60 градусов^[18]. Однако дальнейшие исследования показали, что данная система не содержит коорбитальных планет^[19].

Тела, помещённые в коллинеарных точках Лагранжа, находятся в неустойчивом равновесии. Например, если объект в точке L₁ слегка смещается вдоль прямой, соединяющей два массивных тела, сила, притягивающая его к тому телу, к которому оно приближается, увеличивается, а сила притяжения со стороны другого тела, наоборот, уменьшается. В результате объект будет всё больше удаляться от положения равновесия.

Такая особенность поведения тел в окрестностях точки L₁ играет важную роль в тесных двойных звёздных системах. Полости Роша компонент таких систем соприкасаются в точке L₁, поэтому, когда одна из звёзд-компаньонов в процессе эволюции заполняет свою полость Роша, вещество перетекает с одной звезды на другую именно через окрестности точки Лагранжа L₁^[20].

Несмотря на это, существуют стабильные замкнутые орбиты (во вращающейся системе координат) вокруг коллинеарных точек либрации, по крайней мере, в случае задачи трёх тел. Если на движение влияют и другие тела (как это происходит в Солнечной системе), вместо замкнутых орбит объект будет двигаться по квазипериодическим орбитам, имеющим форму фигур Лиссажу. Несмотря на неустойчивость такой орбиты, космический аппарат может оставаться на ней в течение длительного времени, затрачивая относительно небольшое количество топлива^[21].

В отличие от коллинеарных точек либрации, в троянских точках обеспечивается устойчивое равновесие, если M₁/M₂ > 24,96. При смещении объекта возникают силы Кориолиса, которые искривляют траекторию, и объект движется по устойчивой орбите вокруг точки либрации.

Информация в этом разделе устарела. Вы можете помочь проекту, обновив его и убрав после этого данный шаблон.

Исследователи в области космонавтики давно уже обратили внимание на точки Лагранжа. Например, в точке L₁ системы Земля — Солнце удобно разместить космическую солнечную обсерваторию — она никогда не будет попадать в тень Земли, а значит, наблюдения могут вестись непрерывно. Точка L₂ подходит для космического телескопа — здесь Земля почти полностью заслоняет солнечный свет, да и сама не мешает наблюдениям, поскольку обращена к L₂ неосвещенной стороной. Точка L₁ системы Земля — Луна удобна для размещения ретрансляционной станции в период освоения Луны. Она будет находиться в зоне прямой видимости для большей части обращённого к Земле полушария Луны, а для связи с ней понадобятся передатчики в десятки раз менее мощные, чем для связи с Землёй.

В настоящее время несколько космических аппаратов, в первую очередь, астрофизических обсерваторий, размещены или планируются к размещению в различных точках Лагранжа Солнечной системы^[21]:

Точка L₁ системы Земля—Солнце:

• ISEE-3 International Cometary Explorer (запущен в 1978 году)

Точка L₂ системы Земля—Солнце:

Другие точки Лагранжа:

• в сентябре-октябре 2009 года два аппарата STEREO совершили транзит через точки L₄ и L₅^[28].
• JIMO^[en] (Jupiter Icy Moons Orbiter) — отменённый проект NASA по исследованию спутников Юпитера, который должен был активно использовать систему точек Лагранжа для перехода от одного спутника к другому с минимальными затратами топлива. Этот манёвр получил название «лестница Лагранжа»^[29].
• THEMIS несколько аппаратов вокруг точек L1 и L2 системы Земля-Луна
• ретрансляционный спутник Цюэцяо, выведенный на орбиту 20 мая 2018 года с помощью ракеты Чанчжэн-4C^[30], циркулирует по гало-орбите вокруг точки Лагранжа L2 системы Земля-Луна^[31].

Точки Лагранжа довольно популярны в научно-фантастических произведениях, посвящённых освоению космоса. Авторы часто помещают в них обитаемые или автоматические станции — см., например, «Возвращение к звёздам» Эдмонда Гамильтона, «Глубина в небе» Вернора Винджа, «Нейромант» Уильяма Гибсона, «Семиевие» Нила Стивенсона, телесериал «Вавилон-5», компьютерные игры Prey, Borderlands 2, Lagrange Point^[en].

Иногда в точки Лагранжа помещают и более интересные объекты — мусорные свалки («Единение разумов» Чарльза Шеффилда, «Нептунова арфа» Андрея Балабухи), инопланетные артефакты («Защитник» Ларри Нивена) и даже целые планеты («Планета, с которой не возвращаются» Пола Андерсона). Айзек Азимов предлагал отправлять в точки Лагранжа радиоактивные отходы («Вид с высоты»).

1. ↑ Угловой размер Земли с расстояния 1,5 млн км — 29,3′, а Солнца с 1 а. е. + 1,5 млн км — 31,6′

1. ↑ Lagrange, Joseph-Louis (англ.)русск.. Tome 6, Chapitre II: Essai sur le problème des trois corps // Oeuvres de Lagrange (фр.). — Gauthier-Villars. — С. 229—334.
2. ↑ S. Widnall. Lecture L-18 — Exploring the Neighborhood: the Restricted Three-Body Problem (неопр.).
3. ↑ ISEE-3/ICE profile Архивная копия от 20 июля 2015 на Wayback Machine by NASA Solar System Exploration
4. ↑ NSSDC Master Catalog: ISEE 3 / ICE
5. ↑ http://www.srl.caltech.edu/ACE/ASC/DATA/ace_dly_reprts/HTML/December_text_1997.html
6. ↑ Nation’s first operational satellite in deep space reaches final orbit, NOAA (8 июня 2015). Архивировано 8 июня 2015 года. Дата обращения 8 июня 2015.
7. ↑ LISA Pathfinder Will Concludee Trailblazing Mission (неопр.). ESA Science and Technology. ESA (20 июня 2017). Дата обращения 17 августа 2017.
8. ↑ http://esamultimedia.esa.int/docs/edu/HerschelPlanck/EN_13e_L_Points_EarthMoonSystem.pdf
9. ↑ Ken Murphy. EML-1: the next logical destination (англ.). The Space Review (24 January 2011). Дата обращения 5 ноября 2017.
10. ↑ ^{1 2} The Lagrange points // Australian Space Academy. — Дата обращения: 07.11.2017.
11. ↑ Could There Be a Planet Hidden on the Opposite Side of our Sun? PopSci asks the scientist who has peered around it (англ.)
12. ↑ Новости миссии STEREO на сайте НАСА
13. ↑ Tantardini, Marco; Fantino, Elena; Yuan Ren, Pierpaolo Pergola, Gerard Gymez and Josep J. Masdemont. Spacecraft trajectories to the L₃ point of the Sun–Earth three-body problem (англ.) // Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy (Springer) : journal. — 2010. (недоступная ссылка)
14. ↑ Астрономы обнаружили у Земли первый троянский спутник
15. ↑ List of Jupiter Trojans
16. ↑ List Of Neptune Trojans (неопр.). Minor Planet Center. Дата обращения 27 октября 2010. Архивировано 24 августа 2011 года.
17. ↑ Belbruno, E.; J. Richard Gott III (2005). «Where Did The Moon Come From?». The Astronomical Journal 129 (3): 1724—1745. arXiv: astro-ph/0405372
18. ↑ Впервые найдены две планеты на одной орбите
19. ↑ Beatty, Kelly. Kepler Finds Planets in Tight Dance (неопр.). Sky and Telescope (2011). Дата обращения 11 марта 2011. Архивировано 25 января 2013 года.
20. ↑ Астронет > Тесные двойные звезды на поздних стадиях эволюции
21. ↑ ^{1 2} WMAP Observatory — Lagrange points (NASA)
22. ↑ Genesis: Search for Origins | Mission | JPL | NASA (неопр.). genesismission.jpl.nasa.gov. Дата обращения 26 марта 2019.
23. ↑ Lenta.ru о телескопе «Гершель»
24. ↑ Космический телескоп «Планк» стал самым холодным объектом во Вселенной (неопр.). Lenta.ru (6 июля 2009). Дата обращения 14 августа 2010.
25. ↑ The James Webb Space Telescope (NASA) (англ.)
26. ↑ Обсерватория «Спектр-РГ» отделилась от разгонного блока на целевой орбите (неопр.). ТАСС. Дата обращения 14 июля 2019.
27. ↑ Европейское космическое агентство в 2024 году запустит телескоп PLATO
28. ↑ Space.com: The Search for the Solar System’s Lost Planet (англ.)
29. ↑ Александр Сергеев. «Лестница Лагранжа» (врезка к статье Игоря Афанасьева и Дмитрия Воронцова «Межпланетная эквилибристика»), «Вокруг света», № 8 (2815) 2008.
30. ↑ Queqiao relay satellite launched ahead of Chang’e-4 lunar mission (неопр.) (20 мая 2018).
31. ↑ Китайский спутник-ретранслятор добрался до «рабочего места» за обратной стороной Луны, nplus1 (14 июня 2018). Дата обращения 23 октября 2018.

На что влияет кэш процессора L1 L2 L3

Компьютерные процессоры сделали значительный рывок в развитии за последние несколько лет. Размер транзисторов с каждым годом уменьшается, а производительность растет. При этом закон Мура уже становится неактуальным. Что касается производительности процессоров, то следует учитывать, не только количество транзисторов и частоту, но и объем кэша.

Возможно, вы уже слышали о кэш памяти когда искали информацию о процессорах. Но, обычно, мы не обращаем много внимания на эти цифры, они даже не сильно выделяются в рекламе процессоров. Давайте разберемся на что влияет кэш процессора, какие виды кэша бывают и как все это работает.

Содержание статьи:

Что такое кэш процессора?

Если говорить простыми словами, то кэш процессора это просто очень быстрая память. Как вы уже знаете, у компьютера есть несколько видов памяти. Это постоянная память, которая используется для хранения данных, операционной системы и программ, например, SSD или жесткий диск. Также в компьютере используется оперативная память. Это память со случайным доступом, которая работает намного быстрее, по сравнению с постоянной. И наконец у процессора есть ещё более быстрые блоки памяти, которые вместе называются кэшем.

Если представить память компьютера в виде иерархии по её скорости, кэш будет на вершине этой иерархии. К тому же он ближе всего к вычислительным ядрам, так как является частью процессора.

Кэш память процессора представляет из себя статическую память (SRAM) и предназначен для ускорения работы с ОЗУ. В отличие от динамической оперативной памяти (DRAM), здесь можно хранить данные без постоянного обновления.

Как работает кэш процессора?

Как вы, возможно, уже знаете, программа — это набор инструкций, которые выполняет процессор. Когда вы запускаете программу, компьютеру надо перенести эти инструкции из постоянной памяти в процессору. И здесь вступает в силу иерархия памяти. Сначала данные загружаются в оперативную память, а потом передаются в процессор.

В наши дни процессор может обрабатывать огромное количество инструкций в секунду. Чтобы по максимуму использовать свои возможности, процессору необходима супер быстрая память. Поэтому был разработан кэш.

Контроллер памяти процессора выполняет работу по получению данных из ОЗУ и отправке их в кэш. В зависимости от процессора, используемого в вашей системе, этот контроллер может быть размещен в северном мосту материнской плате или в самом процессоре. Также кэш хранит результаты выполнения инструкций в процессоре. Кроме того, в самом кэше процессора тоже есть своя иерархия.

Уровни кэша процессора — L1, L2 и L3

Веся кэш память процессора разделена на три уровни: L1, L2 и L3. Эта иерархия тоже основана на скорости работы кэша, а также на его объеме.

• L1 Cache (кэш первого уровня) — это максимально быстрый тип кэша в процессоре. С точки зрения приоритета доступа, этот кэш содержит те данные, которые могут понадобиться программе для выполнения определенной инструкции;
• L2 Cache (кэш второго уровня процессора) — медленнее, по сравнению L1, но больше по размеру. Его объем может быть от 256 килобайт до восьми мегабайт. Кэш L2 содержит данные, которые, возможно, понадобятся процессору в будущем. В большинстве современных процессоров кэш L1 и L2 присутствуют на самих ядрах процессора, причём каждое ядро получает свой собственный кэш;
• L3 Cache (кэш третьего уровня) — это самый большой и самый медленный кэш. Его размер может быть в районе от 4 до 50 мегабайт. В современных CPU на кристалле выделяется отдельное место под кэш L3.

На данный момент это все уровни кэша процессора, компания Intel пыталась создать кэш уровня L4, однако, пока эта технология не прижилась.

Для чего нужен кэш в процессоре?

Пришло время ответить на главный вопрос этой статьи, на что влияет кэш процессора? Данные поступают из ОЗУ в кэш L3, затем в L2, а потом в L1. Когда процессору нужны данные для выполнения операции, он пытается их найти в кэше L1 и если находит, то такая ситуация называется попаданием в кэш. В противном случае поиск продолжается в кэше L2 и L3. Если и теперь данные найти не удалось, выполняется запрос к оперативной памяти.

Теперь мы знаем, что кэш разработан для ускорения передачи информации между оперативной памятью и процессором. Время, необходимое для того чтобы получить данные из памяти называется задержкой (Latency). Кэш L1 имеет самую низкую задержку, поэтому он самый быстрый, кэш L3 — самую высокую. Когда данных в кэше нет, мы сталкиваемся с еще более высокой задержкой, так как процессору надо обращаться к памяти.

Раньше, в конструкции процессоров кєши L2 и L3 были были вынесены за пределы процессора, что приводило к высоким задержкам. Однако уменьшение техпроцесса, по которому изготавливаются процессоры позволяет разместить миллиарды транизисторов в пространстве, намного меньшем, чем раньше. Как результат, освободилось место, чтобы разместить кэш как можно ближе к ядрам, что ещё больше уменьшает задержку.

Как кэш влияет на производительность?

Влияние кэша на произвоидтельность компьютера напрямую зависит от его эффективности и количества попаданий в кэш. Ситуации, когда данных в кэше не оказывается очень сильно снижают общую производительность.

Представьте, что процессор загружает данные из кэша L1 100 раз подряд. Если процент попаданий в кэш будет 100%, процессору понадобиться 100 наносекунд чтобы получить эти данные. Однако, как только процент попаданий уменьшится до 99%, процессору нужно будет извлечь данные из кэша L2, а там уже задержка 10 наносекунд. Получится 99 наносекунд на 99 запросов и 10 наносекунд на 1 запрос. Поэтому уменьшение процента попаданий в кэш на 1% снижает производительность процессора 10%.

В реальном времени процент попаданий в кэш находится между 95 и 97%. Но как вы понимаете, разница в производительности между этими показателями не в 2%, а в 14%. Имейте в виду, что в примере, мы предполагаем, что прощенные данные всегда есть в кэше уровня L2, в реальной жизни данные могут быть удалены из кэша, это означает, что их придется получать из оперативной памяти, у которой задержка 80-120 наносекунд. Здесь разница между 95 и 97 процентами ещё более значительная.

Низкая производительность кэша в процессорах AMD Bulldozer и Piledriver была одной из основных причин, почему они проигрывали процессорам Intel. В этих процессорах кэш L1 разделялся между несколькими ядрами, что делало его очень не эффективным. В современных процессорах Ryzen такой проблемы нет.

Можно сделать вывод, чем больше объем кэша, тем выше производительность, поскольку процессор сможет получить в большем количестве случаев нужные ему данные быстрее. Однако, стоит обращать внимание не только на объем кэша процессора, но и на его архитектуру.

Выводы

Теперь вы знаете за что отвечает кэш процессора и как он работает. Дизайн кэша постоянно развивается, а память становится быстрее и дешевле. Компании AMD и Intel уже провели множество экспериментов с кэшем, а в Intel даже пытались использовать кэш уровня L4. Рынок процессоров развивается куда быстрее, чем когда-либо. Архитектура кэша будет идти в ногу с постоянно растущей мощностью процессоров.

Кроме того, многое делается для устранения узких мест, которые есть у современных компьютеров. Уменьшение задержки работы с памятью одна из самых важных частей этой работы. Будущее выглядит очень многообещающе.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.