L1 L2和L3缓存如何影响CPU性能? 揭秘CPU缓存

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。

使用 hwinfo 查看 cpu 缓存

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。

intel core i9-13900k 处理器

• 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。

intel core i9-13900k 芯片功能标注

• 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。

cpu-z：intel core i9-13900k

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。

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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。