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La caché L3 (Level 3) es un tipo de memoria especializada que funciona mano a mano con la caché L1 y L2 para mejorar el rendimiento de un ordenador. La memoria caché L1, L2 y L3 funciona a nivel del procesador (CPU, Central Processing Unit), al contrario que otros tipos de caché del sistema como la caché en disco. La memoria caché en el CPU es más rápida que la memoria RAM (Random Access Memory) y está diseñada para prevenir atascos en la transferencia de datos que disminuyan el rendimiento.

Cuándo se realiza una solicitud al sistema, este envía la solicitud al procesador para que la ejecute. El CPU funciona mucho más rápido que la memoria RAM por lo que pueden producirse retrasos por efecto embudo o cuello de botella cuándo sale más información del procesador que la que puede procesar la memoria RAM. Para reducir estos retrasos entra en juego la caché a nivel de CPU dónde se almacenan solicitudes realizadas al CPU de modo que en solicitudes posteriores se utilizarán los datos de la caché en lugar de volver a realizar el procesamiento. La caché L1 es muy pequeña y muy rápida, la caché L2 es un poco mayor pero también un poco más lenta. La cache de nivel 3 (L3) es mayor que L1 y L2 pero también más lenta que estas; aún así sigue siendo mucho más rápida que la memoria RAM.

Cuándo el procesador recibe una solicitud, buscará primero en la caché L1, luego en la caché L2, luego en la caché L3 y finalmente volverá a realizar el procesamiento si no se encuentra los buscado en ninguna caché. La memoria caché de distintos niveles puede ser exclusiva o inclusiva. Por ejemplo, si una solicitud se encuentra en la caché L3, puede pasarse a la caché L1 y eliminarse de la caché L3 (exclusiva) o mantenerse una copia en la caché L3 (inclusiva).

Por ejemplo, el CPU Shanghai de cuatro núcleos de AMD® (sacado en Noviembre de 2008) tiene memoria L1 y L2 exclusiva en cada núcleo y una caché L3 compartida por todos los núcleos; cuándo un núcleo recibe una solicitud, la respuesta es almacenada en la caché L1 o L2, de modo que si el mismo núcleo vuelve a recibir la misma solicitud encontrará la respuesta rápidamente en su caché L1 o L2. A la vez envía una copia de la respuesta a la caché L3 compartida por los demás núcleos. De este modo, si un núcleo distinto recibe la misma solicitud que el primer núcleo encontrará la respuesta en la caché L3 no teniendo que procesar la solicitud de nuevo aún cuándo no la había ejecutado con anterioridad.

La arquitectura de caché multinivel está en continuo desarrollo y mejora. La caché L1 antes era parte de la placa base, no del CPU; ahora tanto la caché L1 como L2 y L3 vienen típicamente incorporadas en el procesador siendo más rápido y eficiente que tener la memoria separada en la placa base.

Encontrar las instrucciones en la caché del procesador es realmente más rápido que utilizar la memoria RAM del sistema y un buen diseño de caché mejora notablemente el rendimiento del ordenador. Por lo general, a más caché mejor rendimiento, si bien es importante también el diseño y estrategia de caché seguida por la placa base y el procesador.

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