近年來(lái)，計(jì)算機(jī)中央處理器已經(jīng)取得了相當(dāng)大的進(jìn)步，晶體管每年都在變小，性能也變得更加強(qiáng)大。每當(dāng)提到處理器的性能時(shí)，人們往往會(huì)想到晶體管和頻率。實(shí)際上，除了更多的晶體管數(shù)量和更高的頻率之外，緩存也非常重要。
對(duì)于大部分人來(lái)講，他們大都聽(tīng)說(shuō)過(guò)緩存。但是，并沒(méi)有對(duì) CPU 緩存的容量給予足夠的關(guān)注。那么，CPU 緩存到底有多重要，它是如何工作的？
什么是 CPU 高速緩存？
簡(jiǎn)而言之，CPU 緩存只是一種非常快速的內(nèi)存類型。在計(jì)算的早期，處理器速度和內(nèi)存速度都很低。然而，在 1980 年代，處理器速度開(kāi)始迅速提高。當(dāng)時(shí)的系統(tǒng)內(nèi)存（RAM）無(wú)法應(yīng)對(duì)或匹配不斷增加的CPU速度，因此一種新型的超快內(nèi)存誕生了：CPU緩存。
現(xiàn)在，您的計(jì)算機(jī)內(nèi)部有多種類型的內(nèi)存，例如有主存儲(chǔ)（如硬盤或 SSD）存儲(chǔ)大部分?jǐn)?shù)據(jù)，即操作系統(tǒng)和程序。
還有“隨機(jī)存取存儲(chǔ)器”， 俗稱內(nèi)存，它比主存儲(chǔ)快得多，但只是一個(gè)短期存儲(chǔ)介質(zhì)，它讓計(jì)算機(jī)及其程序使用 RAM 來(lái)存儲(chǔ)經(jīng)常訪問(wèn)的數(shù)據(jù)，從而幫助保持計(jì)算機(jī)上的操作良好而快速。
最后，CPU 內(nèi)部還具有更快的內(nèi)存單元，稱為 CPU 緩存。
計(jì)算機(jī)內(nèi)存具有基于其運(yùn)行速度的層次結(jié)構(gòu)。CPU 緩存位于此層次結(jié)構(gòu)的頂部，是最快的。它也是最接近中央處理的地方，是CPU本身的一部分。從技術(shù)上來(lái)看，高速緩存的運(yùn)行速度比 RAM 快 10 到 100 倍，只需要幾納秒即可響應(yīng) CPU 請(qǐng)求。
計(jì)算機(jī)內(nèi)存也有不同的類型，其中高速緩存是靜態(tài)RAM（SRAM）的一種形式，而常規(guī)系統(tǒng)RAM稱為動(dòng)態(tài)RAM（DRAM）。靜態(tài)RAM可以保存數(shù)據(jù)而無(wú)需不斷刷新，這與DRAM不同，這使得SRAM成為緩存的理想選擇。
CPU 緩存如何工作？
計(jì)算機(jī)上的應(yīng)用程序被設(shè)計(jì)為 CPU 解釋和運(yùn)行的一組指令。當(dāng)您運(yùn)行程序時(shí)，指令會(huì)從主存儲(chǔ)（硬盤驅(qū)動(dòng)器）傳輸?shù)?CPU，這就是內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)發(fā)揮作用的地方。
數(shù)據(jù)首先加載到 RAM 中，然后發(fā)送到 CPU。CPU每秒能夠執(zhí)行大量指令。為了充分利用其功能，CPU 需要訪問(wèn)超快內(nèi)存，這就是 CPU 緩存的用武之地。
內(nèi)存控制器從 RAM 獲取數(shù)據(jù)并將其發(fā)送到 CPU 緩存，然后內(nèi)存緩存在 CPU 內(nèi)來(lái)回執(zhí)行數(shù)據(jù)。當(dāng)然，內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)也存在于 CPU 緩存中。
CPU 高速緩存分為三個(gè)“級(jí)別”：L1、L2 和 L3，內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)則根據(jù)速度以及緩存大小進(jìn)行排列。
一級(jí)緩存
L1（級(jí)別 1）緩存是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中存在的最快內(nèi)存。就訪問(wèn)優(yōu)先級(jí)而言，一級(jí)緩存具有 CPU 在完成特定任務(wù)時(shí)最有可能需要的數(shù)據(jù)。
一級(jí)緩存的大小取決于 CPU。一些高端消費(fèi)類CPU現(xiàn)在具有1MB的L1緩存，如Intel i9-9980XE，但這些要花費(fèi)大量資金，而且仍然很少。一些服務(wù)器芯片組，如英特爾的Xeon系列，還具有1-2MB的L1內(nèi)存緩存。
由于一級(jí)緩存的大小沒(méi)有“標(biāo)準(zhǔn)”，因此您必須在購(gòu)買前仔細(xì)查看 CPU 規(guī)格以確定確切的一級(jí)內(nèi)存緩存大小。
英特爾 CPU L1 數(shù)據(jù)緩存圖
一級(jí)緩存通常分為兩部分：指令緩存和數(shù)據(jù)緩存。指令高速緩存處理有關(guān) CPU 必須執(zhí)行的操作的信息，而數(shù)據(jù)高速緩存保存要對(duì)其執(zhí)行操作的數(shù)據(jù)。
二級(jí)緩存
L2（級(jí)別 2）緩存比 L1 緩存慢，但容量更大。L1 緩存可能以 KB 為單位，而 L2 內(nèi)存緩存以兆字節(jié)為單位。例如，AMD Ryzen 5 5600X具有384KB的L1緩存和3MB的L2緩存（加上32MB的L3緩存）。
二級(jí)緩存大小因 CPU 而異，但其大小通常在 256KB 到 32MB 之間。大多數(shù) CPU 將包含超過(guò) 256KB 的二級(jí)緩存，這在現(xiàn)階段是最小的。此外，一些最強(qiáng)大的 CPU 具有更大的二級(jí)內(nèi)存緩存，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò) 8MB。
在速度方面，二級(jí)緩存落后于一級(jí)緩存，但仍然比您的系統(tǒng) RAM 快得多。一級(jí)內(nèi)存緩存通常比 RAM 快 100 倍，而二級(jí)緩存大約快 25 倍。
三級(jí)緩存
早期，L3內(nèi)存緩存實(shí)際上是在主板上找到的。現(xiàn)在，CPU 中的 L3 緩存可能非常龐大，高端消費(fèi)類 CPU 具有高達(dá) 32MB 的 L3 緩存，某些服務(wù)器 CPU L3 緩存可能會(huì)超過(guò)此值，最高可達(dá) 128MB。
L3 緩存是最大但也是最慢的緩存單元。 但是，雖然芯片本身的每個(gè)內(nèi)核都存在L1和L2緩存，但L3緩存更類似于整個(gè)芯片都可以利用的通用內(nèi)存池。
我們需要多少 CPU 緩存？
緩存越多、容量越大，則會(huì)越好，價(jià)格也會(huì)越高。新一代的CPU自然會(huì)比老一代包含更多的CPU緩存，并且緩存也可能更快。
因此，我們可以根據(jù)自己的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景需求，在購(gòu)買產(chǎn)品之前仔細(xì)查看產(chǎn)品的規(guī)則，以此來(lái)保證買到自己想要的產(chǎn)品。
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原文作者：GAVIN PHILLIPS
