CPU 緩存是位于 CPU 芯片上的小型高速內(nèi)存（基于 SRAM），它的主要作用是臨時(shí)存儲 CPU 可能需要快速訪問的「預(yù)取」數(shù)據(jù)。這樣做的目的是為了避免因?yàn)?RAM 的限制而造成 CPU 的性能瓶頸。

現(xiàn)代 CPU 通常包含三級緩存：L1、L2 和 L3。這三級緩存在提升 CPU 性能方面起著至關(guān)重要的作用，特別是在處理像游戲等特定任務(wù)時(shí)尤為明顯。

接下來，我們將介紹 CPU 緩存的工作原理，它的重要性，以及不同工作負(fù)載（計(jì)算任務(wù)）對 CPU 緩存的需求。

CPU 緩存的作用

當(dāng)應(yīng)用程序運(yùn)行時(shí)，它們首先會被加載進(jìn) RAM 中。CPU 會從這個(gè)主存儲器中獲取、解碼并執(zhí)行指令。但由于現(xiàn)代 CPU 性能非常強(qiáng)大，例如 AMD Ryzen 9 3950X，其基礎(chǔ)運(yùn)行速度為 3.5GHz（即每秒 35 億次），每個(gè)時(shí)鐘周期能執(zhí)行超過一百個(gè)操作，這就會導(dǎo)致一個(gè)「問題」。

從 RAM 中讀取數(shù)據(jù)可能需要數(shù)百個(gè)時(shí)鐘周期，這就會讓 CPU 花費(fèi)大量時(shí)間在等待上。如果 CPU 每次處理數(shù)據(jù)都依賴于從 RAM 中獲取，那么整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行速度將會大幅下降。為了解決這個(gè)問題，所以引入了 CPU 緩存。

CPU 會通過分析數(shù)據(jù)的使用模式，去預(yù)測接下來可能需要的數(shù)據(jù)和指令。然后，在實(shí)際需要之前，預(yù)先將這些數(shù)據(jù)從 RAM 移動(dòng)到 CPU 緩存中，這個(gè)過程被稱為「預(yù)取」。由于 CPU 緩存的讀取速度比直接從 RAM 中訪問數(shù)據(jù)要快上百倍，這樣一來，CPU 的等待時(shí)間就會大幅縮短。

L1、L2 與 L3 緩存的比較

為了提升性能，現(xiàn)代 CPU 通常會設(shè)計(jì)三個(gè)不同級別的緩存，這樣能在緩存大小、響應(yīng)速度（延遲）和數(shù)據(jù)命中率之間找到最佳平衡。

• L1 緩存：最快但容量最小，通常為每個(gè)核心分配，容量范圍在 128 KB 到 2 MB 之間。
• L2 緩存：響應(yīng)速度和容量居中，可以為每個(gè)核心獨(dú)有，也可以是共享的，容量量范圍在 256 KB 到 32 MB 之間。
• L3 緩存：響應(yīng)速度最慢但容量最大，通常是共享的，容量范圍在 1 MB 到 128 MB 之間。

如果想要了解 CPU 的具體緩存情況，可以查閱網(wǎng)絡(luò)資料或使用系統(tǒng)分析工具，例如 CPU-Z 或 HWiNFO 來查看。

使用 HWiNFO 查看 CPU 緩存

以的 i9-13900K 為例，我們可以更加深入地理解 CPU 緩存的層次和作用：

• L1 緩存：對于 i9-13900K 而言，L1 緩存被分為數(shù)據(jù)緩存（8 x 48 KB + 16 x 32 KB）和指令緩存（8 x 32 KB + 16 x 64 KB），總計(jì) 2.176 MB。L1 緩存作為最快且容量最小的存儲級別，是 CPU 首先檢查的位置。當(dāng)所需數(shù)據(jù)存在于 L1 緩存時(shí)，即「緩存命中」，CPU 便會從 L1 緩存中直接讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)。
• L2 緩存：當(dāng)「緩存未命中」，即所需數(shù)據(jù)不在 L1 緩存中時(shí)，CPU 轉(zhuǎn)而檢查 L2 緩存。L2 緩存容量更大，但速度稍慢。對于 i9-13900K 來說，L2 緩存為（8 x 2 MB + 4 x 4 MB）總計(jì) 32 MB。
• L3 緩存：如果 L2 緩存也未命中，CPU 會接著檢查 L3 緩存。L3 緩存是所有緩存級別中容量最大但響應(yīng)速度最慢的。例如，i9-13900K 擁有 36 MB 的 L3 緩存，這是共享的。

如果 L3 緩存還未命中，CPU 將最后檢查 RAM，如果有必要，甚至?xí)z查存儲設(shè)備（硬盤）。這些層次性的檢查確保了數(shù)據(jù)處理的高效性，盡量減少了對 RAM 的依賴，從而加快了整體的處理速度。

CPU 緩存的級別和結(jié)構(gòu)

我們先來實(shí)際觀察一下 CPU 芯片上的 CPU 緩存級別，以方便更好地理解其結(jié)構(gòu)：

• 輕微磨平 CPU 芯片的底層，就可以看到 CPU 內(nèi)部的電路設(shè)計(jì)。以 i9-13900K CPU 為例，其芯片底層的結(jié)構(gòu)展示了不同級別緩存的具體布局。

Intel Core i9-13900K 處理器

• 與 i9-13900K 芯片截圖的解釋進(jìn)行比較，你會清楚看到不同級別的緩存是如何設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的。

Intel Core i9-13900K 芯片功能標(biāo)注

• 通過查看系統(tǒng)分析工具提供的數(shù)據(jù)，我們可以更清楚地了解 CPU 緩存的分布情況。以 i9-13900K 為例，你可以看到 L1 和 L2 緩存在 P 核（性能核心）和 E 核（效能核心）上的分布情況。

CPU-Z：Intel Core i9-13900K

多大 CPU 緩存合適

CPU 緩存對性能至關(guān)重要。是不是緩存越大性能越好？答案完全取決于你的 CPU 使用場景。

在選擇 CPU 時(shí)，需要考慮多個(gè)因素，例如時(shí)鐘速度、核心數(shù)量、CPU 的代數(shù)、架構(gòu)、TDP（熱設(shè)計(jì)功耗）和緩存等。這些因素相互作用，共同決定了 CPU 的整體性能。

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因此，很難一概而論地認(rèn)為緩存這一個(gè)因素就能決定 CPU 性能。但在某些特定情況下，緩存的大小確實(shí)很關(guān)鍵。

以 AMD 的游戲?qū)Ｓ?X3D CPU 為例，Ryzen 5800X 和 5800X3D 在許多方面類似，但主要區(qū)別在于 5800X3D 的時(shí)鐘速度略低，而 L3 緩存是 5800X 的三倍（從 32 MB 增加到了 96 MB）。

根據(jù)不同的工作負(fù)載，這兩款處理器的性能表現(xiàn)也會有所不同：

• 在合成基準(zhǔn)測試和視頻編輯等順序處理任務(wù)中，額外的緩存并沒有帶來顯著的性能提升。事實(shí)上，由于 5800X3D 的頻率略低，在這類任務(wù)中它的表現(xiàn)可能還不如 5800X。
• 在執(zhí)行需要 CPU 頻繁訪問 L3 緩存中隨機(jī)數(shù)據(jù)的任務(wù)時(shí)，例如游戲，5800X3D 的表現(xiàn)非常出色。平均來看，額外的緩存可以讓游戲的平均幀率提高 10-15%，在極端情況下，甚至能提高超過 20%?？紤]到這兩款 CPU 的主要區(qū)別是緩存大小，這種提升非常顯著。

大部分面向普通消費(fèi)者的 CPU 都配備了標(biāo)準(zhǔn)量級的緩存，通常能滿足大部分用戶的需求。不存在一個(gè)固定的「最佳緩存大小」標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)不同的使用場景，更大 CPU 緩存所帶來的性能提升可能不明顯，也可能效果顯著。在選購 CPU 時(shí)，應(yīng)該綜合考慮包括緩存在內(nèi)的多種因素，以達(dá)到最佳的性能和成本效益平衡。

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