CPU缓存对电脑性能的整体影响有多大？详细认识CPU缓存

　　CPU缓存对电脑性能的整体影响有多大？详细认识CPU缓存
　　
　　
　　
　　都想选到价格公道，性能合理的CPU，也就是通常说的性价比，花同样的钱用到最好的CPU，通常我们都会关注CPU的主频、倍频、缓存、制作工艺等，那么CPU的缓存对CPU性能的影响有多大，不同阶段CPU的缓存的影响是否一样呢，此文引领我们详细了解CPU缓存！
　　
　　
　　现在大家看到的CPU缓存一般分三级，就是一级缓存（L1 Cache）、二级缓存（L2 Cache）和三级缓存（L3 Cache），它们的位置、大小、作用差别都很大，咱们分别说说。
　　
　　
　　CPU的一级缓存一般做在CPU的每个核心内部，因为空间受限，不会很大，都是几十kB。它们的任务是存储核心计算时候的暂时性数据，可以说是每个核心自用的小内存，更形象地说就是给每个核心童鞋计算时配的草稿纸。
　　
　　二级缓存同样是跟着每个核心的，一般有几百kB，它也只存储每个核心自己的数据，这点类似更大但更慢的一级缓存。此外它存储的是比较“成型”的数据结果，这些数据要和三级缓存做交流的。形象地说，就是除了草稿之外，也存了不少核心童鞋需要处理和已经做完，要上交的作业、试卷。
　　
　　三级缓存可就大了，现在主流CPU的配备都是成MB的，一般是整个CPU或者其中的某几个核心共用。它首先是多个核心的“会议桌”，相互间的数据交换都在这里进行，当然内置显示核心也要使用。另外它也和硬盘等配件的缓存一样，负责和内存交换数据。
　　
　　一般来说，英特尔和AMD的一、二级缓存容量差不多，但三级差别很大，比如同样是中端CPU，锐龙5就有十几、几十MB的三级缓存，酷睿i5只有几MB，高端就差更多了。这样锐龙就可以靠大缓存把尽量多数据放在身边，减少对内存的依赖，提升性能，从现在对锐龙大量的“真香”评论可以看出，这招真的很管用。
　　
　　
　　虽然用第三代锐龙的超大缓存举例有点极端，不过挺能说明问题，就是“核心效率不够高，缓存帮你性能提一提”。所以在选择CPU的时候，如果感觉核心有点过时，或者频率有点低的话，不妨看一看缓存，如果缓存比对手大不少，那么还是可以考虑的，其实低频率的笔记本CPU常常也是这样做的哦。
　　参考文章：
　　CPU缓存是什么？
　　CPU缓存的定义为CPU与内存之间的临时数据交换器，它的出现是为了解决CPU运行处理速度与内存读写速度不匹配的矛盾——缓存的速度比内存的速度快多了。CPU缓存一般直接跟CPU芯片集成或位于主板总线互连的独立芯片上。（现阶段的CPU缓存一般直接集成在CPU上）CPU往往需要重复处理相同的数据、重复执行相同的指令，如果这部分数据、指令CPU能在CPU缓存中找到，CPU就不需要从内存或硬盘中再读取数据、指令，从而减少了整机的响应时间。
　　
　　CPU-缓存-主内存图示，图片来自：CPU Caches
　　CPU缓存速度和内存速度差多少？
　　我们来简单地打个比方：如果CPU在L1一级缓存中找到所需要的资料要用的时间为3个周期左右，那么在L2二级缓存找到资料的时间就要10个周期左右，L3三级缓存所需时间为50个周期左右；如果要到内存上去找呢，那就慢多了，可能需要几百个周期的时间。
　　
　　I3-8300处理器技术规格
　　对CPU缓存有一定了解了吗，让我们再深入一点。以Intel为例，Intel官网上产品-处理器界面内对缓存的定义为：“CPU高速缓存是处理器上的一个快速记忆区域。英特尔智能高速缓存（SmartCache）是指可让所有内核动态共享最后一级高速缓存的架构。”这里就提及到了最后一级高速缓存的概念，即为CPU缓存中的L3（三级缓存），那么我们继续来解释一下什么叫三级缓存，分别又是指哪三级缓存。
　　
　　CPU-缓存-主内存图示，图片来自：CPU Caches
　　三级缓存（L1、L2、L3）是什么？
　　以近代CPU的视角来说，三级缓存（包括L1一级缓存、L2二级缓存、L3三级缓存）都是集成在CPU内的缓存，它们的作用都是作为CPU与主内存之间的高速数据缓冲区，L1最靠近CPU核心；L2其次；L3再次。运行速度方面：L1最快、L2次快、L3最慢；容量大小方面：L1最小、L2较大、L3最大。CPU会先在最快的L1中寻找需要的数据，找不到再去找次快的L2，还找不到再去找L3，L3都没有那就只能去内存找了。L1、L2、L3可以说是各有特点，下面我们就分开来讲一下。
　　一级缓存（L1 Cache）
　　一级缓存这个名词出现应该是在Intel公司Pentium处理器时代把缓存开始分类的时候，当时在CPU内部集成的CPU缓存已经不能满足整机的性能需求，而制造工艺上的限制不能在CPU内部大幅提高缓存的数量，所以出现了集成在主板上的缓存，当时人们把CPU内部集成的CPU缓存成为一级缓存，在CPU外部主板上的缓存称为二级缓存。
　　
　　
　　Intel Pentium 4
　　而一级缓存其实还分为一级数据缓存（Data Cache，D-Cache，L1d）和一级指令缓存（Instruction Cache，I-Cache，L1i），分别用于存放数据及执行数据的指令解码，两者可同时被CPU访问，减少了CPU多核心、多线程争用缓存造成的冲突，提高了处理器的效能。一般CPU的L1i和L1d具备相同的容量，例如I7-8700K的L1即为32KB+32KB。
　　二级缓存（L2 Cache）
　　随着CPU制造工艺的发展，本来处于CPU外部的二级缓存也可以轻易地集成进CPU内部，这种时候再用缓存是否处于CPU内部来判断一二级缓存已经不再确切。集成进CPU的L2二级缓存运行速率渐渐可以跟上CPU的运行速度了，其主要作用为当CPU在L1中没读取到所需要的数据时再把数据展示给CPU筛选（CPU未命中L1的情况下继续在L2寻求命中，缓存命中的工作原理我们稍后再讲）。
　　L2二级缓存比L1一级缓存的容量要更大，但是L2的速率要更慢，为什么呢？首先L2比L1要更远离CPU核心，L1是最靠近CPU核心的缓存，CPU需要读取L2的数据从物理距离上比L1要更远；L2的容量比L1更大，打个简单的比喻，在小盒子里面找东西要比在大房间里面找要方便快捷。这里也可以看出，缓存并非越大越好，越靠近CPU核心的缓存运行速率越快越好，非最后一级缓存的缓存容量自然是够用即可。
　　
　　
　　Core Duo酷睿双核处理器
　　L2二级缓存实际上就是L1一级缓存跟主内存之间的缓冲器，在2006年的时间点上，Intel和AMD当家在售的几款处理器可以看出他们对最后一级缓存不同的见解：Intel Core Duo不同于它的前辈Pentium D、EE，采用了双核心共享的2M L2二级缓存，是属于当时最先二级缓存架构，即“Smart Cache”共享缓存技术，这种技术沿用到以后的Intel推出的所有多核心处理器上；而AMD Athlon 64 X2处理器则是每个CPU核心都具备独立的二级缓存，Manchester核心的处理器为每核心512KB、Toledo核心为每核心1MB，两个核心之间的缓存的数据同步是通过CPU内置的SRI（系统请求接口）控制，这样的数据延迟及占用资源情况都要比Intel的Pentium D、EE核心要好，但还是比不上Core为代表的Smart Cache缓存共享。
　　三级缓存（L3 Cache）
　　最初出现L3三级缓存的应该是AMD的K6-III处理器，当时受限于制造工艺，L3只能集成在主板上。然后Intel首次出现L3三级缓存的是Itanium安腾服务器处理器，接着就是P4EE和至强MP。L3三级缓存的出现其实对CPU性能提升呈一个爬坡曲线——L3从0到2M的情况CPU性能提升非常明显，L3从2M到6M提升可能就只有10%不到了，这是在近代CPU多核共享L3的情况下；当L3集成进CPU正式成为CPU内部缓存后，CPU处理数据时只有5%需要在内存中调用数据，进一步地减少了内存延迟，使系统的响应更为快速。
　　
　　Intel Nehalem L3 SmartCache示意图
　　同理，L3即为L2与主内存之间的缓冲器，主要体现在提升处理器大数据处理方面的性能，对游戏表现方面有较大的帮助。那么也许有人就会问了，是不是选择CPU的时候看准L3买，哪个CPU的L3大就买哪个？非也，只有同架构的情况下这种比较才具有意义，先举个比较久远的例子：Intel具备1MB L3的Xeon MP处理器仍然不是AMD没有L3的皓龙处理器对手，再来个现有的：Intel I7-8700K 12MB L3和AMD Threadripper 1950X 32MB L3相比，自然是32MB比12MB大，但是平均下来也是一个核心2MB L3，性能就见仁见智了。
　　CPU缓存是怎样帮助CPU工作的呢
　　知道了L1、L2、L3的由来，我们再深入地了解一下CPU缓存是怎么帮助CPU提高工作效率的。
　　
　　局限性原理，图片来自：CMU
　　由于数据的局限性，CPU往往需要在短时间内重复多次读取数据，内存的运行频率自然是远远跟不上CPU的处理速度的，怎么办呢？缓存的重要性就凸显出来了，CPU可以避开内存在缓存里读取到想要的数据，称之为命中（hit）。L1的运行速度很快，但是它的数据容量很小，CPU能在L1里命中的概率大概在80%左右——日常使用的情况下；L2、L3的机制也类似如此，这样一来，CPU需要在内存中读取的数据大概为5%-10%，其余数据命中全部可以在L1、L2、L3中做到，大大减少了系统的响应时间，总的来说，所有CPU读取数据的顺序都是先缓存再内存。
　　L1、L2、L3缓存跟内存速度相差很大，它们构成上的不同导致了其速度的差距，那么CPU缓存和内存分别是怎样构成的呢？
　　缓存SRAM与内存DRAM的区别
　　CPU缓存基本由SRAM（Static RAM，静态RAM）构成，内存的DRAM其实是SDRAM（同步动态随机储存器），是DRAM（Dynamic RAM，动态）的一种。
　　
　　DRAM
　　DRAM只含一个晶体管和一个电容器，集成度非常高，可以轻松做出大容量（内存），但是因为靠电容器来储存信息，所以需要不断刷新补充电容器的电荷，充电放电之间的时间差导致了DRAM比SRAM的反应要缓慢得多。
　　
　　SRAM
　　SRAM相比DRAM的复杂度就高了不止一筹，所以导致SRAM的集成度很低——前期CPU缓存不能集成进CPU内部也有这个原因。SRAM的特点就是快，有电就有数据，不需要刷新时间所以凸显其数据传输速度很快，缺点就是占据面积大、成本低。假如一个DRAM占据一个单位的地方，一个SRAM就要占据六个单位的地方，差别还是挺大的。
　　番外：L4四级缓存和eDRAM
　　
　　
　　I7-4750H
　　并不是每个CPU都会使用SRAM作为CPU缓存，IBM的Power系列处理器就使用了eDRAM作为CPU缓存；我们再看看Intel Haswell I7-4750H这个CPU，其主要受关注的地方在于CPU内嵌入了128MB的eDRAM作为显存让核心显卡Iris Pro 5200使用，在不使用核心显卡的时候，128MB eDRAM将会成为处理器的L4四级缓存。当然了，I7-4750H多了L4之后在处理器性能上也没提高多少，eDram缓存的主要作用还是在于给核心显卡当显存上。