揭秘 CPU 缓存：L1、L2 和 L3 的性能秘密

CPU 缓存是位于 CPU 芯片上的小型高速内存（基于 SRAM），它的主要作用是临时存储 CPU 可能需要快速访问的「预取」数据。这样做的目的是为了避免因为 RAM 的限制而造成 CPU 的性能瓶颈。

现代 CPU 通常包含三级缓存：L1、L2 和 L3。这三级缓存在提升 CPU 性能方面起着至关重要的作用，特别是在处理像游戏等特定任务时尤为明显。

接下来，我们将介绍 CPU 缓存的工作原理，它的重要性，以及不同工作负载（计算任务）对 CPU 缓存的需求。

CPU 缓存的作用

当应用程序运行时，它们首先会被加载进 RAM 中。CPU 会从这个主存储器中获取、解码并执行指令。但由于现代 CPU 性能非常强大，例如 AMD Ryzen 9 3950X，其基础运行速度为 3.5GHz（即每秒 35 亿次），每个时钟周期能执行超过一百个操作，这就会导致一个「问题」。

从 RAM 中读取数据可能需要数百个时钟周期，这就会让 CPU 花费大量时间在等待上。如果 CPU 每次处理数据都依赖于从 RAM 中获取，那么整个系统的运行速度将会大幅下降。为了解决这个问题，所以引入了 CPU 缓存。

CPU 会通过分析数据的使用模式，去预测接下来可能需要的数据和指令。然后，在实际需要之前，预先将这些数据从 RAM 移动到 CPU 缓存中，这个过程被称为「预取」。由于 CPU 缓存的读取速度比直接从 RAM 中访问数据要快上百倍，这样一来，CPU 的等待时间就会大幅缩短。

L1、L2 与 L3 缓存的比较

为了提升性能，现代 CPU 通常会设计三个不同级别的缓存，这样能在缓存大小、响应速度（延迟）和数据命中率之间找到最佳平衡。

• L1 缓存：最快但容量最小，通常为每个核心分配，容量范围在 128 KB 到 2 MB 之间。
• L2 缓存：响应速度和容量居中，可以为每个核心独有，也可以是共享的，容量量范围在 256 KB 到 32 MB 之间。
• L3 缓存：响应速度最慢但容量最大，通常是共享的，容量范围在 1 MB 到 128 MB 之间。

如果想要了解 CPU 的具体缓存情况，可以查阅网络资料或使用系统分析工具，例如 CPU-Z 或 HWiNFO 来查看。

以的 i9-13900K 为例，我们可以更加深入地理解 CPU 缓存的层次和作用：

• L1 缓存：对于 i9-13900K 而言，L1 缓存被分为数据缓存（8 x 48 KB + 16 x 32 KB）和指令缓存（8 x 32 KB + 16 x 64 KB），总计 2.176 MB。L1 缓存作为最快且容量最小的存储级别，是 CPU 首先检查的位置。当所需数据存在于 L1 缓存时，即「缓存命中」，CPU 便会从 L1 缓存中直接读取或写入数据。
• L2 缓存：当「缓存未命中」，即所需数据不在 L1 缓存中时，CPU 转而检查 L2 缓存。L2 缓存容量更大，但速度稍慢。对于 i9-13900K 来说，L2 缓存为（8 x 2 MB + 4 x 4 MB）总计 32 MB。
• L3 缓存：如果 L2 缓存也未命中，CPU 会接着检查 L3 缓存。L3 缓存是所有缓存级别中容量最大但响应速度最慢的。例如，i9-13900K 拥有 36 MB 的 L3 缓存，这是共享的。

如果 L3 缓存还未命中，CPU 将最后检查 RAM，如果有必要，甚至会检查存储设备（硬盘）。这些层次性的检查确保了数据处理的高效性，尽量减少了对 RAM 的依赖，从而加快了整体的处理速度。

CPU 缓存的级别和结构

我们先来实际观察一下 CPU 芯片上的 CPU 缓存级别，以方便更好地理解其结构：

• 轻微磨平 CPU 芯片的底层，就可以看到 CPU 内部的电路设计。以 i9-13900K CPU 为例，其芯片底层的结构展示了不同级别缓存的具体布局。

• 与 i9-13900K 芯片截图的解释进行比较，你会清楚看到不同级别的缓存是如何设计实现的。

• 通过查看系统分析工具提供的数据，我们可以更清楚地了解 CPU 缓存的分布情况。以 i9-13900K 为例，你可以看到 L1 和 L2 缓存在 P 核（性能核心）和 E 核（效能核心）上的分布情况。

多大 CPU 缓存合适

CPU 缓存对性能至关重要。是不是缓存越大性能越好？答案完全取决于你的 CPU 使用场景。

在选择 CPU 时，需要考虑多个因素，例如时钟速度、核心数量、CPU 的代数、架构、TDP（热设计功耗）和缓存等。这些因素相互作用，共同决定了 CPU 的整体性能。

因此，很难一概而论地认为缓存这一个因素就能决定 CPU 性能。但在某些特定情况下，缓存的大小确实很关键。

以 AMD 的游戏专用 X3D CPU 为例，Ryzen 5800X 和 5800X3D 在许多方面类似，但主要区别在于 5800X3D 的时钟速度略低，而 L3 缓存是 5800X 的三倍（从 32 MB 增加到了 96 MB）。

根据不同的工作负载，这两款处理器的性能表现也会有所不同：

• 在合成基准测试和视频编辑等顺序处理任务中，额外的缓存并没有带来显著的性能提升。事实上，由于 5800X3D 的频率略低，在这类任务中它的表现可能还不如 5800X。
• 在执行需要 CPU 频繁访问 L3 缓存中随机数据的任务时，例如游戏，5800X3D 的表现非常出色。平均来看，额外的缓存可以让游戏的平均帧率提高 10-15%，在极端情况下，甚至能提高超过 20%。考虑到这两款 CPU 的主要区别是缓存大小，这种提升非常显著。

大部分面向普通消费者的 CPU 都配备了标准量级的缓存，通常能满足大部分用户的需求。不存在一个固定的「最佳缓存大小」标准，根据不同的使用场景，更大 CPU 缓存所带来的性能提升可能不明显，也可能效果显著。在选购 CPU 时，应该综合考虑包括缓存在内的多种因素，以达到最佳的性能和成本效益平衡。