메모리 종류 - 2장. CPU가 직접 사용하는 메모리 (초고속 메모리) (2-2. 캐시 메모리 (Cache) – CPU가 자주 쓰는 데이터를 저장)

📌 2-2. 캐시 메모리 (Cache) – CPU가 자주 쓰는 데이터를 저장

캐시 메모리는 CPU가 자주 사용하는 데이터를 저장하는 초고속 메모리입니다.
RAM보다 속도가 훨씬 빠르며, CPU가 데이터를 빠르게 불러올 수 있도록 도와줍니다.

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🔹 1. CPU가 RAM보다 먼저 데이터를 찾는 곳

컴퓨터에서 프로그램을 실행하면 CPU는 연산을 수행하기 위해 필요한 데이터를 메모리에서 가져와야 합니다.
일반적으로 RAM에서 데이터를 불러와 처리하지만, RAM도 CPU에 비하면 속도가 느립니다.

✅ CPU가 데이터를 불러오는 순서

1️⃣ 캐시 메모리(Cache) → 가장 먼저 확인
2️⃣ RAM → 캐시에 없으면 RAM에서 찾음
3️⃣ HDD/SSD → RAM에도 없으면 저장장치에서 찾음

💡 즉, 캐시는 CPU가 RAM보다 먼저 데이터를 찾는 곳으로, 연산 속도를 높이는 중요한 역할을 합니다.

🔥 캐시 히트(Cache Hit) vs 캐시 미스(Cache Miss)

• 캐시 히트 (Cache Hit) → CPU가 찾는 데이터가 캐시에 있을 경우, 빠르게 처리 가능
• 캐시 미스 (Cache Miss) → CPU가 찾는 데이터가 캐시에 없을 경우, RAM에서 불러와야 해서 속도가 느려짐

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🔹 2. 속도에 따른 L1, L2, L3 캐시 구조

캐시 메모리는 CPU 내부에 있고, 속도와 용량에 따라 L1, L2, L3 캐시로 나뉩니다.
각 계층은 CPU와의 거리와 속도, 용량에 따라 역할이 달라집니다.

캐시 레벨	위치	속도	용량	설명
L1 캐시	CPU 내부	가장 빠름	가장 작음 (32KB~512KB)	CPU가 가장 먼저 찾는 데이터 저장
L2 캐시	CPU 내부 또는 가까운 곳	빠름	중간 크기 (256KB~8MB)	L1 캐시에서 못 찾으면 여기서 찾음
L3 캐시	CPU 외부 또는 다중 코어 공유	느림	가장 큼 (4MB~64MB)	여러 개의 CPU 코어가 공유

💡 비유하자면?

• L1 캐시 → 책상 위에 놓인 가장 중요한 자료 (가장 빠르게 찾을 수 있음)
• L2 캐시 → 책장에 있는 참고서 (조금 더 시간이 걸리지만 빠르게 찾을 수 있음)
• L3 캐시 → 방 안의 서랍 (찾는데 시간이 걸리지만 여러 사람이 공유 가능)

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🔹 3. 캐시가 크면 왜 성능이 좋아질까?

캐시 메모리가 클수록 CPU가 더 많은 데이터를 저장하고 빠르게 처리할 수 있기 때문입니다.

✅ 캐시가 큰 경우 (성능 향상)

1️⃣ CPU가 자주 사용하는 데이터가 캐시에 저장됨
2️⃣ RAM보다 빠르게 접근 가능하여 프로그램 실행 속도 향상
3️⃣ 캐시 히트(Cache Hit) 비율이 증가하여 CPU의 작업 효율 증가

❌ 캐시가 작은 경우 (성능 저하)

1️⃣ CPU가 필요한 데이터를 캐시에서 찾지 못함 (캐시 미스 발생)
2️⃣ RAM에서 데이터를 가져와야 해서 속도가 느려짐
3️⃣ 연산 대기 시간이 증가하여 프로그램 실행 속도 저하

💡 예제

• 게임을 실행할 때 자주 사용하는 텍스처 데이터가 캐시에 있으면 빠르게 로딩됨
• 하지만 캐시 크기가 작아 데이터가 RAM에서 계속 로드된다면 게임 속도가 느려질 수 있음

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🎯 4. 정리하기

✅ 캐시 메모리는 CPU가 RAM보다 먼저 데이터를 찾는 공간으로, 프로그램 실행 속도를 높이는 역할을 한다.
✅ 캐시는 속도와 용량에 따라 L1, L2, L3로 나뉘며, L1이 가장 빠르고 L3가 가장 큼.
✅ 캐시가 크면 CPU가 RAM을 덜 사용하게 되어 프로그램 실행 속도가 빨라진다.
✅ 캐시 히트율이 높을수록 성능이 향상되고, 캐시 미스율이 높으면 CPU가 RAM을 자주 사용하여 성능이 저하된다.