L2/L3 キャッシュ

2025年10月23日

L2/L3 キャッシュ

英語表記: L2/L3 Cache

概要

L2/L3キャッシュは、CPUの内部にある超高速な記憶領域であるキャッシュ階層の一部を構成するメモリです。これは、最も高速で容量の小さいL1キャッシュと、容量が大きいものの速度が劣るメインメモリ（DRAM）との速度差を埋めるために設置されています。L2キャッシュはL1キャッシュの次に高速で、L3キャッシュはさらに容量が大きく、主にマルチコアCPU間で共有されることが多い、中間的なバッファとしての役割を担っています。

この階層構造は、CPUの仕組み（命令セット, パイプライン）における処理の効率を最大限に高めるために不可欠な技術であり、データや命令をメインメモリから先読みし、CPUコアがすぐにアクセスできる状態に保つことが主な目的です。

詳細解説

CPUが高速に動作する現代において、最大のボトルネックの一つが、CPUコアの処理速度とメインメモリのアクセス速度の大きな差です。この速度のギャップを解消するために、「レジスタとキャッシュ」という概念が生まれ、特にキャッシュ階層が重要視されています。

なぜL2/L3が必要なのか

もしCPUが毎回メインメモリまでデータを取りに行くと、その待ち時間（レイテンシ）のために、せっかく高速なCPUコアや効率的なパイプライン処理を持っていても、全体のパフォーマンスが著しく低下してしまいます。この問題を解決するのがキャッシュです。

L1キャッシュは非常に高速ですが、コストが高く、物理的な制約から容量を大きくできません。そこで、L1キャッシュで賄えない大容量のデータを保持しつつ、メインメモリよりはるかに高速にアクセスできる領域として設計されたのがL2/L3キャッシュです。

L2/L3の構造と役割分担

キャッシュは一般的にSRAM（Static RAM）という、DRAM（メインメモリ）よりも高速でフリップフロップ回路を利用した記憶素子で構成されています。

L1キャッシュ（一次キャッシュ）: CPUコアの最も近くにあり、命令（インストラクション）とデータに分かれていることが多く、非常に小容量（数十KB程度）ですが、CPUサイクルタイムに匹敵する速度で動作します。
L2キャッシュ（二次キャッシュ）: L1キャッシュの「ミスの受け皿」として機能します。L1ミス（L1に目的のデータがないこと）が発生した場合、L2にデータがあるかを確認します。L1より容量が大きく（数百KB～数MB）、L1よりは遅いですが、メインメモリよりは圧倒的に高速です。
L3キャッシュ（三次キャッシュ）: キャッシュ階層の中で最も容量が大きく（数MB～数十MB）、複数のCPUコア間で共有される「共有キャッシュ」として機能することが多いです。L2/L3キャッシュの存在のおかげで、CPUはメモリを待つことなく、途切れることなく命令処理（パイプライン）を進めることができるわけです。

L2とL3の配置は、以前はCPUチップの外（オフチップ）に配置されることもありましたが、現代の高性能CPUでは、レイテンシを最小限に抑えるため、L1, L2, L3のすべてが同じCPUダイ（オンチップ）に統合されています。これにより、データ転送の遅延が極限まで短縮され、キャッシュ階層が最大限にその性能を発揮できるようになっているのです。

キャッシュ階層と性能向上

L2/L3キャッシュのヒット率（目的のデータが見つかる確率）が高ければ高いほど、CPUはメインメモリへのアクセスを減らし、高速なパイプライン処理を維持できます。特にL3キャッシュは、マルチコア環境において、異なるコアが頻繁に使用する共通データを保持することで、コア間のデータ連携をスムーズにし、全体の処理能力（スループット）向上に大きく貢献しています。これは、CPUの仕組み全体を俯瞰したとき、非常に巧妙で重要な設計だと感心しますね。

具体例・活用シーン

L2/L3キャッシュの役割を理解するためには、私たちの日常生活における「作業効率」に置き換えて考えると、非常に分かりやすいですよ。

比喩：勉強部屋の整理術

あなたは今、非常に集中して勉強（CPUコアの処理）をしています。

レジスタ: あなたの「手」です。今まさに計算している数字や、実行中の命令を保持する、最速の場所です。
L1キャッシュ（最速・最小）: 勉強机の「上」です。今解いている問題集や、頻繁に参照する辞書など、手を伸ばせばすぐ取れる場所に置かれた少量の情報です。非常にアクセスが速いので、作業は途切れません。
L2キャッシュ（高速・中容量）: 勉強机の「引き出し」です。今週使う予定の参考書や、前回のテストで間違えたノートなど、L1に入りきらなかったが、すぐに必要になりそうな資料が入っています。机の上（L1）になければ、まず引き出し（L2）を探します。
L3キャッシュ（共有・大容量）: 部屋の隅にある「本棚」です。あなただけでなく、兄弟（他のCPUコア）も共有して使う、学年全体の教科書や過去問集などが収められています。少しアクセスに時間がかかりますが、机の上や引き出しにはない、広範囲のデータがここにあります。
メインメモリ（低速・最大容量）: 別の部屋にある「図書館」です。必要なデータがL1, L2, L3のどこにもなかった場合、わざわざ遠い図書館まで取りに行かなければなりません。これは非常に時間がかかります。

このように、L2/L3キャッシュは、L1キャッシュと図書館（メインメモリ）の間の「中間バッファ」として機能することで、CPUコアが「図書館まで行く」という低速な作業を避けるための必須の存在なのです。特にL3キャッシュが本棚のように共有されているおかげで、マルチタスク（兄弟が同時に勉強する）の効率も格段に向上するわけです。

活用シーン：高性能コンピューティング

現代の高性能なサーバーやゲーミングPCでは、L2/L3キャッシュの容量が非常に重要です。

大規模データベース処理: データベースのインデックスや頻繁にアクセスされるレコードがL3キャッシュに保持されていれば、メインメモリへのアクセスが激減し、クエリ（問い合わせ）の応答時間が劇的に短縮されます。
動画編集・レンダリング: 大量のフレームデータやテクスチャデータがキャッシュ階層に一時的に保持されることで、CPUが途切れることなく計算を続けられ、レンダリング速度が向上します。

資格試験向けチェックポイント

ITパスポート、基本情報技術者、応用情報技術者などの資格試験では、「レジスタとキャッシュ」の仕組み、特にキャッシュ階層に関する知識は頻出テーマです。L2/L3キャッシュについて問われる典型的なパターンを把握しておきましょう。

階層構造と速度・容量の関係:
- 速度の順序：レジスタ > L1 > L2 > L3 > メインメモリ（DRAM）。
- 容量の順序：レジスタ < L1 < L2 < L3 < メインメモリ（DRAM）。
- このトレードオフ（容量と速度は反比例する）は、キャッシュ階層の基本原理として必ず理解しておくべきです。
キャッシュの配置:
- L1キャッシュは命令用（I-Cache）とデータ用（D-Cache）に分離されていることが多いです。
- L2/L3キャッシュは通常、CPUコアと同じチップ上に統合（オンチップ）されています。特にL3は複数のコアで共有される「共有キャッシュ」として機能することが多い点を押さえておきましょう。
使用されるメモリ素子:
- キャッシュ（L1, L2, L3）には、高速で高価なSRAMが使われます。メインメモリに使われるDRAMとの違い（SRAMはリフレッシュ不要、DRAMはリフレッシュが必要）も比較対象として問われます。
キャッシュメモリの目的:
- CPUコアとメインメモリ間のアクセス速度の差（ボトルネック）を解消し、CPUのパイプライン処理を効率化することが目的です。もしL2/L3キャッシュがなければ、パイプラインの停止（ストール）が頻繁に発生し、性能は大幅に低下します。
ヒット率:
- キャッシュに目的のデータが存在する確率をキャッシュヒット率といいます。L2/L3キャッシュの容量が大きいほど、ヒット率が向上し、性能が上がります。この概念も重要です。