キャッシュ_(コンピュータシステム)

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キャッシュ (コンピュータシステム)

出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2024/12/27 01:19 UTC 版)

キャッシュ（英語: cache）は、CPUのバスやネットワーク、データベース、GPU、DSPなどにおいて、情報を転送する際、転送効率を向上するための記憶階層の実現手段である。ハードウェアの形態とソフトウェアの形態がある。

キャッシュ概要図

転送元と転送先の中間に位置し、データ内容の一部とその参照を保持する。

参照が既にキャッシュに格納されているデータが転送要求されたとき、転送元ではなくキャッシュが転送を代行する。これをキャッシュヒットという。所望のデータがキャッシュに存在せず元データから転送する状態をキャッシュミスという。由来は不明で和製英語と思われるが、日本の一部の文献及び資格試験において「キャッシュミスヒット」という用語が使われている。

もしくは、データを滞留させてデータ粒度を高める機能を持つ。これらにより、データの時間的局所性と空間的局所性を活用し、データ転送の冗長性やオーバヘッドを低減させることで、転送効率を向上させる。

基本概念

記憶階層 (Memory Hierarchy)

記憶階層の例

データを保持する記憶装置の理想は大容量×高速アクセスであるが、通常コストパフォーマンスが悪く実現困難である。そのため、小容量×高速、中容量×中速、大容量×低速など複数段階にまたがった記憶構造とすることが多い。また一般に、CPUなどバスマスタに近い側を上位レベル、遠い側を下位レベルとし、各レベルを各々下位レベルの一時記憶として用いる。この構造を記憶階層という。

小容量×高速の代表はCPUレジスタであり、大容量×低速記憶装置の代表はハードディスクや磁気テープなどの補助記憶装置である。

記憶階層のうちキャッシュに該当する、L1キャッシュとL2キャッシュについて、上位のL1キャッシュに存在するデータが下位のL2キャッシュにもデータが存在する方式（インクルージョンキャッシュ）と、上位のL1キャッシュに存在するデータが下位のL2キャッシュに必ずしもデータが存在しない方式（ビクティムキャッシュ）がある。

局所性 (Locality)

時間的局所性 (Temporal Locality)

データの再利用率とその時間的特性を示す言葉。ある領域のデータ転送が行われて、同一データの転送が再度、近い時間内に行われている場合を時間的局所性があるという。CPUにおける命令キャッシュや、ウェブブラウザなどにおけるファイル単位のデータ保持などは、転送が行われた近い期間にループや戻るボタンなどによる再転送要求を期待して、アクセスがあったデータをある程度後まで保持しておく。逆に音声のようなストリームデータなどは時間的局所性はあまりなく、下記にある空間的局所性に頼った効率化を図る必要がある。

空間的局所性 (Spatial Locality)

データの格納位置に対する偏在性を示す言葉。ある領域のデータ転送が行われて、近い時間内に、連続ないし近傍領域のデータ転送が行われている場合を空間的局所性があるという。真にランダムに転送されるべきデータというのは少なく、大抵のデータには空間的局所性が存在する。一般的にデータ転送でスループットよりレイテンシ、すなわちデータ転送帯域より転送距離が問題となる場合は、小さなデータを何度も転送するよりも少ない回数でより多くのデータを転送することで効率向上する場合が多い。従って転送元は空間的局所性を期待して未要求の近傍データも同時に送り、キャッシュにより未要求データを保持することで、キャッシュ下位レベルとの転送セット回数を削減しようとする。CPUキャッシュメモリのラインサイズは、この空間的局所性に鑑みて決定される。

歴史

• 1961年 マンチェスタ大学のTom Kilburnらが開発中のコンピュータAtlasに仮想記憶機構を搭載
• 1962年 Kilburnらが論文"One-level storage system"を発表
• 1965年 ケンブリッジ大学のM. V. Wilkesがキャッシュに関する最初の論文"Slave Memories and Dynamic Storage Allocation"を発表（論文ではキャッシュをスレーブメモリと呼んだ）
• 1965年 ケンブリッジ大学でGordon Scarrottがダイレクトマップ方式の命令キャッシュを実装
• 1967年 最初のキャッシュ搭載商用マシンIBM System/360 Model 85が完成（16-32KB, 80-160ns）。1968年発売
• 1968年 IBMのDonald H. GibsonらがIBM System/360 Model 85の性能評価に関する論文"Structural Aspects of the System/360 Model 85 I: General Organization."を発表。そのなかで初めてキャッシュという用語が使用された

参考文献

• ジョン・L・ヘネシー / デイビッド・A・パターソン著、富田眞冶 / 村上和彰 / 新實治男訳、『コンピュータ・アーキテクチャ　設計・実現・評価の定量的アプローチ』、日経BP社、ISBN 4-8222-7152-8
• デイビッド・A・パターソン / ジョン・L・ヘネシー著、成田光彰訳、『コンピュータの構成と設計　ハードウエアとソフトウエアのインタフェース　第2版（上/下）』、日経BP社、ISBN 4-8222-8056-X/ISBN 4-8222-8057-8
• 山崎傑著、『オペレーティング・システムの基礎』、CQ出版社、ISBN 4-7898-3668-1
• 中森章著、『マイクロプロセッサ・アーキテクチャ入門　RISCプロセッサの基礎から最新プロセッサのしくみまで TECHI Vol.20』、CQ出版社、ISBN 4-7898-3331-3

関連項目

• CPU
• レジスタ
• キャッシュメモリ
• トランスレーション・ルックアサイド・バッファ
• バッファ
• バス
• ハードディスク
• 磁気テープ
• 補助記憶装置
• ネットワーク
• データベース
• グラフィックスプロセッシングユニット(GPU)
• デジタル信号処理機(DSP)
• キャッシュアルゴリズム
• 検索エンジン
• HTTP ETag
• コンテンツデリバリネットワーク(CDN)

Weblio日本語例文用例辞書

「キャッシュ (コンピュータシステム)」の例文・使い方・用例・文例

• キャッシュカードを落としてしまった。
• 私はキャッシュサービスコーナーを探している。
• キャッシュバランスプランは、アメリカにならって設計された相対的に新しいプランだ。
• キャッシュマネジメントシステムを使うことの利益は大きいとされる。
• キャッシュ市場では、ものとお金の交換がその時点において行われる。
• 我々はこれらのプロジェクトをディスカウンテッドキャッシュフロー法に基づき算出した価値で比較した。
• 企業経営についていえば,フリーキャッシュフローはなくてはならない考え方だ。
• 自動車メーカーがしばしばディーラーに対して新車販売用にバックマージン（リベート、キックバック）を付与し、それが最終消費者に「キャッシュバック」として還元される。
• 当行の場合、営業活動によるキャッシュフローの大部分は個人顧客向けビジネスに関するものである。
• 永久年金とは終期を定めずに発生するキャッシュフローのことである。
• 割引キャッシュフロー法は、長期にわたる投資効果を算出する収益計算には不可欠な方法です。
• 株価キャッシュフロー倍率を用いて海外の会社と比較する
• インカムアプローチでは商標の市場価値を、その商標が生み出すキャッシュフローの価値に基づいて算出する。
• キャッシュフロー計算書を読み解くことで企業の短期的な実行力がわかる。
• その会社の事業の伸びを見るために、営業キャッシュフローを確認しなさい。
• 昨年の当社の正味キャッシュフローは90億円だった。
• 投資活動によるキャッシュフローの純増額は1万ドルだった。
• 連結キャッシュフロー計算書は、グループ会社のキャッシュ・フロー計算書を元に作成されます。
• キャッシュカードを無くすのが怖い。
• 彼に、現金かキャッシューカードのどちらで支払うべきか確認してください