Speicherhierarchie

Die Speicherhierarchie ist ein konzeptionelles Modell der Computerspeicherorganisation, das mehrere Schichten unterschiedlicher Zugriffszeiten, Kapazitäten und Kosten umfasst. Ziel ist es, langsamer zugängliche Speicherbereiche durch schnellere Ebenen zu puffern, sodass der Prozessor Daten rasch verwenden kann. In modernen Systemen wird der Zugriff typischerweise über eine aufsteigende Hierarchie realisiert: CPU-Register, L1-, L2- und L3-Caches, der Hauptspeicher (RAM) und der Sekundärspeicher (Festplatten oder SSDs). Zusätzlich können Grafikspeicher (VRAM) und nichtflüchtiger Speicher (NVM wie Flash oder Optane) als weitere Ebenen betrachtet werden.

Die Funktionsweise beruht auf dem Lokalitätsprinzip: Programme neigen dazu, auf denselben Daten oder angrenzende Daten innerhalb kurzer Zeiträume zuzugreifen. Die Caches speichern Kopien der verwendeten Daten, um spätere Zugriffe zu beschleunigen. Wird eine angeforderte Information nicht im schnelleren Speicher gefunden (Cache-Miss), wird sie aus einer langsameren Ebene nachgeladen. Ersatzpolitiken (z. B. LRU) entscheiden, welche Cache-Einträge entfernt werden. Der Zugriff auf den Hauptspeicher erfolgt oft mithilfe einer virtuellen Speicherverwaltung, die Seiten in den RAM lädt und mittels Translation Lookaside Buffer (TLB) Adressen übersetzt.

Die Speicherhierarchie beeinflusst Gesamtsystemleistung und Softwaredesign: Compiler- und Betriebssystemoptimierungen zielen darauf ab, Lokalisität zu erhöhen, während Anwendungen und Algorithmen so gestaltet werden, dass sie Caches effizient nutzen. Mit zunehmender Größe und Geschwindigkeit der Ebenen verschiebt sich das Gleichgewicht zwischen Kosten, Kapazität und Geschwindigkeit stetig weiter zugunsten schnellerer, teurerer Speicherbausteine.