キャッシュコヒーレンシ

定義

コヒーレントとは、同じメモリ位置への読み出しと書き込みの動作を定義するものです。以下の条件がすべて満たされていれば、キャッシュはコヒーレントです。

1. プロセッサPが位置Xを読み出すとき、その位置に書き込んだ後、他のプロセッサがその位置に別の値を書き込まなければ、Pは自分が書き込んだ値を取得しなければなりません。これはモノプロセッサシステムでも同じで、メモリが書き込んだ値を保持できることを意味します。
2. P₁とPという2つのプロセッサ₂があり、P₁が値X₁を書き込み、その後、P₂が値X₂を書き込んだとすると、P₁が値を読み取る場合、その間に他の書き込みがなければ₁、P₂が書き込んだ値X₂ではなく、自分が書き込んだ値Xを取得しなければなりません。これは、メモリの見方がコヒーレントであることを意味します。もしプロセッサが、Pが行った書き込みの後に、同じ古い値を読むことができる₂ならば、記憶は首尾一貫していないことになる。
3. メモリの特定の場所への書き込みは、一度に1回しかできません。複数の書き込みがある場合は、それらが次々と行われなければなりません。つまり、ある2つのプロセッサが、位置Xに2つの異なる値AとBをこの順番で受け取った場合、プロセッサは位置XをBと読んだ後、Aと読むことはできません。

これらの条件は、読み出しと書き込みが瞬時に行われると仮定して定義されています。しかし、コンピュータのハードウェアでは、メモリのレイテンシやその他のアーキテクチャの観点から、このようなことは起こりません。プロセッサXによる書き込みが行われた後、ごくわずかな時間内にプロセッサYからの読み出しが行われた場合、プロセッサXの書き込みがプロセッサYの読み出しによって確認されない可能性があります。メモリ一貫性モデルでは、書き込まれた値が、他のプロセッサが行う次の読み取り命令によって見られるべきタイミングを定義します。

キャッシュコヒーレンス機構

• ディレクトリベースのコヒーレンスメカニズムは、キャッシュされたブロックの中央ディレクトリを維持します。

• スヌーピングとは、各キャッシュがアドレスラインを監視して、自分のキャッシュ内にあるメモリロケーションへのアクセスを監視するプロセスです。あるキャッシュがコピーを持っている場所への書き込み操作が観測された場合、キャッシュコントローラは、スヌープされたメモリロケーションの自分のコピーを無効にする。

• スナーフィングとは、キャッシュコントローラーがアドレスとデータの両方を監視し、セカンドマスターがメインメモリーのロケーションを変更したときに、自分のメモリーロケーションのコピーを更新しようとすることです。

分散型共有メモリシステムは、これらのメカニズムを模倣することで、疎結合システムのメモリブロック間の一貫性を維持することができます。

一般的に研究されているコヒーレンスのタイプは、スヌーピングとディレクトリベースの2つです。それぞれにメリットとデメリットがあります。スヌーピングプロトコルは、十分な帯域幅があれば、すべてのトランザクションがすべてのプロセッサで見られるリクエスト/レスポンスであるため、高速になる傾向があります。欠点は、スヌーピングはスケーラブルではないことです。すべてのリクエストは、システム内のすべてのノードにブロードキャストする必要があります。システムが大きくなると、（論理的または物理的）バスのサイズとそれが提供する帯域幅も大きくならざるを得ません。一方、ディレクトリは、（3ホップのリクエスト/フォワード/レスポンスで）レイテンシが長くなる傾向がありますが、メッセージはポイント・ツー・ポイントであり、ブロードキャストではないため、使用する帯域幅は非常に少なくなります。このため、大規模なシステム（64プロセッサ以上）の多くは、このタイプのキャッシュコヒーレンスを使用しています。