Memoria caché vs memoria RAM ¿Cuáles son sus diferencias?

Si tienes dudas sobre qué es más importante o sobre las diferencias entre la memoria caché vs memoria RAM, aquí analizamos estos dos componentes esenciales que trabajan juntos para garantizar un rendimiento rápido y fluido. Sin embargo, a pesar de su estrecha relación, existen diferencias fundamentales entre ambas que es importante comprender para aprovechar al máximo las capacidades de tu ordenador. Por eso, vamos a analizar las características y funciones de ambas, para que puedas conocer todo lo que deberías…

Memoria caché

La memoria caché es una pequeña memoria de alta velocidad ubicada dentro de la CPU, aunque en el pasado se ha situado también fuera de ella. Su función principal es almacenar datos e instrucciones que se utilizan con frecuencia, permitiéndoles a los núcleos de la CPU acceder a ellos de forma rápida y eficiente, sin tener que recurrir a los datos e instrucciones almacenados en memorias más lentas como la RAM o el almacenamiento secundario, E/S, etc. De esta forma, cuando sea posible, se reduce la latencia de acceso y aumenta el rendimiento. Esa es su función.

La memoria caché funciona en base al principio de localidad de referencia, que establece que los programas suelen acceder repetidamente a los mismos datos e instrucciones. La CPU monitorea estos accesos y almacena en la caché los datos e instrucciones más utilizados. De esta manera, cuando el programa necesita acceder a esos datos o instrucciones nuevamente, la CPU puede obtenerlos de la caché mucho más rápido que de la memoria principal.

La forma de trabajar es la siguiente:

1. La CPU busca el dato o instrucción en la L1, que es el nivel de memoria caché más rápida, en la que se accede en pocos ciclos de reloj. Si se encuentra, se produce un acierto o hit, y se utiliza el dato o instrucción recuperada.
2. En caso de que no se encuentre, se produce un fallo de caché. En ese momento, la CPU buscará en el siguiente nivel, en la L2. Ésta memoria es algo más amplia, por lo que las posibilidades de acierto son superiores, pero también es un poco más lenta que la L1, y necesitará algunos ciclos de reloj más. En caso de encontrar lo que se busca, se recupera y se usa.
3. Pero si  se produce un fallo de caché, entonces la CPU pasará a buscar en el siguiente nivel, y así sucesivamente… Esto dependerá de cuál sea el LLC (Last Level Cache), es decir, el último nivel, ya que podemos encontrarnos diseños con solo L1, otros con L1 y L2, los actuales suelen tener L1, L2 y L3, también hay algunos casos con L4, etc.

La memoria caché se caracteriza por su alta velocidad de acceso, que es superior a la de la memoria principal. Y esta velocidad se debe al tipo de celda de memoria que emplea, ya que es de tipo SRAM. Las celdas de memoria SRAM (Static Random Access Memory), estas celdas no necesitan refrescarse, y están diseñadas exclusivamente usando transistores, lo que les da sus ventajas de latencia baja. No obstante, esta memoria es muy cara, por ello se reserva solo a memorias de pequeños tamaños, de unos cuantos KB o MB.

Memoria RAM

La memoria RAM es una memoria de acceso aleatorio que almacena datos e instrucciones de forma temporal. Es decir, en este sentido es igual a la memoria caché. Sin embargo, es más lenta que la SRAM como veremos, aunque más rápida que la memoria secundaria, como los HDD, SSD, etc.

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Se basa en celdas DRAM (Dynamic Random Access Memory), que necesitan ser refrescadas constantemente para conservar su contenido, además de estar basadas en condensadores, lo que las hace más lentas que las SRAM. Eso sí, es bastante más barata que la SRAM, por lo que se pueden conseguir capacidades superiores a precios asequibles, de unos pocos de GB.

La memoria RAM funciona mediante un sistema de direcciones. Cada celda de memoria RAM tiene una dirección única, lo que permite a la CPU acceder a cualquier dato o instrucción almacenada en ella de forma rápida y precisa. Cuando un programa necesita acceder a un dato o instrucción, la CPU envía la dirección correspondiente a la memoria RAM, y la celda con esa dirección libera su contenido. Sin embargo, como he dicho, la cantidad de ciclos de espera para recibir la información en la CPU es muy superior a la memoria caché.

Tanto la memoria RAM (SDRAM) como la memoria caché (SRAM) pueden tener variantes, pero no entraremos en esos detalles.

¿Cuál es mejor?

Memoria	Tiempo de acceso promedio	Ciclos de CPU promedio
Registro	0 nanosegundos	0 ciclos
Caché L1	5 nanosegundos	1 ciclo
Caché L2	10 nanosegundos	2 ciclos
Caché L3	40 nanosegundos	8 ciclos
RAM	100 nanosegundos	20 ciclos
SSD	0.1 milisegundos	200.000 ciclos
HDD	10 milisegundos	20.000.000 ciclos

*Para acceder a periféricos del sistema E/S, también se necesitan tiempos relativamente altos. Por ejemplo, para la red Ethernet pueden ir de 0.5 a 10 ms, mientras que para una unidad USB se necesitarían hasta 10 ms…

Si esperas conocer cuál es la mejor, evidentemente la intuición te dice que es la SRAM, es decir, la memoria caché por su rapidez. Lo ideal sería un sistema con solo SRAM. No obstante, esto es relativo, ya que su precio la relega a tamaños muy pequeños, como he  dicho, y esos tamaños no son suficientes para la multitarea y el software actual, por lo que, es imprescindible que venga acompañada de una memoria RAM, con capacidad superior. De la misma manera, la memoria RAM, dada su lentitud, tampoco podría subsistir en la actualidad sin la caché. Por ende, ambas están condenadas a coexistir.

El tiempo de acceso para la memoria SRAM suele ser de unos pocos ciclos, lo que supone esperas de tan solo unos pocos nanosegundos (ns), mientras que la SDRAM tiene tiempos de acceso algo más lentos, que se pueden contar en decenas de nanosegundos.

En conclusión, la memoria caché y la memoria RAM trabajan juntas para optimizar el rendimiento de la CPU. La memoria caché almacena los datos e instrucciones que se utilizan con más frecuencia, y de forma más inmediata, mientras que la RAM almacena los procesos que no pueden ser almacenados en la caché por su tamaño, y evita que se tengan que ir a buscar directamente a la unidad secundaria de almacenamiento, como los HDD y los SSD (mucho más rápidos), cuyo tiempo de acceso ya subiría a milisegundos.

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