- CPU高速緩存是整合在處理器中的超高速記憶體，用於儲存常用資料和指令，以減少對RAM的存取。
- 它分為 L1、L2、L3（在某些情況下還有 L4）三個級別，較低級別速度較快但容量較小，較高級別容量較大但速度較慢。
- 更大、設計更完善的快取可以大大提高高負載下的效能，尤其是在遊戲中，透過減少延遲和提高 FPS 穩定性來實現這一點。
- 雖然快取是關鍵，但其影響取決於架構、CPU 頻率和 RAM 速度，因此重要的是要考慮整個方案，而不僅僅是兆位元組數。
大多數人專注於處理器的核心數量、頻率和品牌，卻忽略了一個對實際效能至關重要的元件：CPU快取。這塊隱藏在晶片內部的小記憶體是電腦發展史上最偉大的進步之一，它避免了處理器等待資料到達的尷尬。
如果你曾經好奇為什麼兩個主頻相同的處理器效能卻截然不同，答案往往在於快取的大小、層級結構和速度等細節。了解快取是什麼、如何運作以及它如何影響遊戲、內容創作或日常使用等任務，將有助於你更好地解讀規格參數，並選擇下一個合適的CPU。
處理器快取究竟是什麼？
CPU快取是整合在處理器內部的高速記憶體，旨在儲存CPU在短時間內需要重複使用的資料和指令。與安裝在主機板上獨立模組的RAM不同，快取直接連接到運算核心，從而可以實現近乎瞬時的存取。
我們可以將快取視為一種“工作台”，處理器將最常用的資料保存在快取中，無需不斷地從記憶體或磁碟中檢索。這種便利性和極高的速度顯著減少了CPU的等待時間。
雖然現代PC可以配備數TB的硬碟或固態硬碟，以及8GB到64GB（伺服器甚至更大）的內存，但快取容量卻只有MB甚至KB。這種小容量並非問題：它的目的並非儲存所有數據，而只是儲存處理器認為最有可能立即再次使用的數據。
在早期的處理器中，部分高速緩存甚至位於晶片之外的主機板上，這引入了額外的延遲。而在現代設計中，L1、L2 和 L3 高速緩存都整合在處理器封裝內，從而減少了物理距離，縮短了存取時間，並顯著提高了效能。
快取等級：L1、L2、L3 和不常見的 L4。
現代處理器的快取並非單一的塊狀結構，而是由不同速度和容量的多層快取組成。通常情況下，快取分為 L1、L2 和 L3 層，在某些特定設計中，還會有 L4 層緩存，尤其是在整合顯示卡或高度專業化的配置中。
整體思路始終相同：層級越低（L1），距離核心越近，速度越快，但儲存空間越小。隨著層級升高（L2、L3、L4），容量增加，但速度下降，存取延遲也增加。
在典型的桌上型處理器中，每個核心的L1快取可能只有幾百KB，而L2快取可以達到幾MB，共享的L3快取則可以達到幾十MB甚至幾百MB。在高階平台或伺服器中，L2快取和L3快取的容量更是驚人，可以達到數十MB和幾百MB。
這種層次結構經過精心設計，使 CPU 能夠在最快的層級找到大部分數據，最大限度地減少對主記憶體的訪問，並充分利用每個處理器時脈週期。
L1 快取：第一道防線
一級快取（L1快取）是距離核心執行單元最近的快取層，因此也是整個系統中速度最快的記憶體。它的容量雖然很小，但延遲卻只有納秒級，這對於不間斷地向核心提供資料至關重要。
L1快取通常分為兩個獨立的部分：資料快取和指令快取。這樣，處理器就可以同時讀取需要執行的操作（指令）和要處理的數據，而無需爭用同一塊記憶體空間。
在大多數現代架構中，每個核心都有自己獨立的L1快取。不同核心的L1快取之間沒有直接的一致性，但這並不構成問題，因為每個核心只存取自己的快取部分。例如，如果一個8核心處理器宣稱擁有512KB的L1緩存，那麼它通常實際每個核心擁有64KB，分別用於儲存資料和指令。
由於這種結構，當 CPU 成功在 L1 快取中找到資訊時，存取速度非常快，效能影響幾乎可以忽略不計。因此，任何 L1 快取容量的減少通常都會導致某些工作負載下效能的顯著下降。
L2快取：第二步
二級快取（L2快取）充當第二道防線。它的速度比一級快取（L1快取）慢，但容量卻大得多。那些不再適合放入一級快取但仍與正在進行的任務相關的資料通常會被放入二級快取。
根據CPU設計，L2快取可以是每個核心私有的，也可以是叢集中多個核心共享的。在某些處理器中，核心被分組為區塊並分配一個公共的L2快取；而在另一些處理器中，每個核心都有自己的L2緩存，這簡化了快取一致性管理。
在某些架構中，L2 快取曾經長期是最後一個可用的快取級別，實際上在目前的處理器中發揮 L3 快取的作用。如今，英特爾和 AMD 都採用了共享 L3 快取的配置，但 L2 和 L3 快取的分配方式會因核心類型（高效能核心、高能源效率核心或獨立晶片組）的不同而存在很大差異。
具體來說，基本處理器的每個核心可能只有幾百千位元組的 L2 緩存，而高級處理器或伺服器的每個核心可能擁有幾兆位元組的 L2 緩存，這顯然會對某些資料密集型應用程式的效能產生影響。
L3 或 LLC 快取：最後一個共享級別
L3（三級快取），也稱為 LLC（末級快取），是整合在 CPU 主封裝中的快取層次結構的最後一層。它是處理器晶片內容量最大但速度最慢的緩存，通常由所有核心或至少大部分核心共享。
與通常與每個核心緊密相關的 L1 和 L2 不同，L3 被設計成一個大的統一空間，可以儲存資料和指令，所有核心在本地層級找不到所需內容時都可以存取它。
這種共享特性使得製造商能夠採用一些非常有趣的技術，例如透過 3D 堆疊來增加尺寸。 AMD的 3D V-Cache技術就是如此，它在 CPU 的一部分上添加額外的快取晶片，從而倍增可用 L3 快取的容量，而無需大幅增加主晶片的表面積。
L3 快取的大小因型號而異：從簡單處理器中的幾兆字節，到伺服器 CPU 或採用 3D 堆疊技術、專為資料庫、虛擬化或高效能遊戲等高要求工作負載設計的型號中的幾十兆位元組甚至幾百兆位元組的 L3 快取。
L4 快取：異域關卡
雖然L4快取在現代桌上型電腦處理器中並不常見，但它確實存在，並且在某些特定型號中作為附加支援出現，尤其是在配備高效能整合顯示卡的情況下。在這些情況下，L4快取通常使用eDRAM等記憶體實現，並位於一個非常靠近CPU的獨立封裝中。
英特爾酷睿i5 5775C就是一個經典的例子，它將一個容量較小的傳統L3快取與128MB的eDRAM結合使用，後者用作L4緩存，以加速整合顯示卡的記憶體存取。這個L4快取充當了GPU和RAM之間的高頻寬緩衝區，從而降低了圖形處理器對系統記憶體的直接依賴。
L4 快取尚未在桌上型電腦上普及，但隨著整合 CPU 和 GPU 架構的發展，特別是隨著 PC 端 AI 運算的興起， L4 快取可能會重新獲得重視。
CPU快取的實際運作原理
需要注意的是，快取並非像微型RAM那樣運作，程式設計師無法直接指示CPU存取特定位址。實際上，快取管理是自動的，軟體無法感知：CPU硬體會決定複製哪些資料、如何組織資料以及何時丟棄資料。
程式運作時，其指令和資料首先被傳輸到儲存裝置（固態硬碟或機械硬碟），然後載入到記憶體中。之後，CPU 目前使用位址附近的記憶體片段會被複製到快取中。這種複製並非僅限於所需的確切位址，而是會擴展到周圍的記憶體區塊，以預判相鄰資料可能很快也會被用到。
CPU 不會直接查詢 RAM 來判斷資料是否存在；順序是相反的：每次存取時，它首先檢查 L1 緩存，然後是 L2 緩存，最後是 L3 緩存，只有當所有緩存層級都失敗後才會存取 RAM。在快取中找到資料稱為“命中”，而必須存取 RAM（甚至其他儲存裝置）則稱為“快取未命中”。
內部演算法負責快取最有可能被重複使用的訊息，並清除不再需要的資訊。這些機制相當複雜，需要考慮存取模式、核心間的一致性以及記憶體的物理結構。
關鍵在於，CPU 每次需要額外等待一納秒來檢索數據，都會損失時脈週期。考慮到現代 CPU 每秒要處理數十億個時脈週期，快取未命中導致的持續延遲累積起來，將造成整體效能的巨大損失。
快取使用順序和延遲
當處理器需要資料或指令時，它總是遵循相同的路徑：首先在速度最快的 L1 快取中查找；如果 L1 中沒有，則查找 L2；如果 L2 中也沒有，則查找 L3。只有當所有這些快取層級都失敗後，它才會存取 RAM，而 RAM 的存取速度要慢幾個數量級。
在現代處理器中，L1快取的延遲可以小於1奈秒，L2快取的延遲為幾納秒，L3快取的延遲則為兩位數。相比之下，RAM的延遲可能高出數十倍，具體取決於模組的速度（MT/s）和時序（CL）。
例如，最新一代的 Ryzen 處理器可能擁有約 512 KB 的 L1 快取（延遲約為 0,7 ns）、8 MB 的 L2 快取（延遲約為 2-3 ns）以及 32 MB 的 L3 快取（平均存取時間略高於 10 ns）。 DDR5 記憶體即使在高頻雙通道配置下運行，其延遲也僅為幾十奈秒。
快取越大，佔用的矽晶片空間就越多，延遲也往往越高；因此，製造商必須在尺寸、速度、功耗和成本之間取得平衡。諸如3D堆疊之類的技術可以在不顯著影響主晶片表面積的情況下增加L3快取容量，但總是會有一些權衡取捨，例如最大頻率略有降低或超頻能力受限。
當成功存取 L1 或 L2 快取時，CPU 幾乎不會損失任何等待週期；但如果搜尋範圍擴展到 RAM，效能損失則會急劇上升。這就是為什麼即使頻率和核心數相同，快取容量較小或設計不佳的處理器效能通常也會更差的原因。
快取、記憶體和儲存之間的關係
個人電腦使用三種主要類型的記憶體：儲存裝置（硬碟/固態硬碟）、記憶體（RAM）和CPU快取。儲存設備容量最大，但速度最慢，用於存放作業系統、程式和檔案。記憶體速度更快，作為應用程式的通用工作空間。
另一方面，CPU快取雖然體積最小，但速度卻是最快的。它的作用是充當RAM和執行核心之間的緩衝區，這樣CPU就不必頻繁存取主記憶體。每一級快取都會讓資料更靠近核心，進而降低有效延遲。
提高記憶體速度和降低延遲可以部分緩解快取未命中，因為CPU在存取主記憶體時受到的效能損失會減少。然而，在許多情況下，提升效能的關鍵在於透過更好的架構以及適當增加快取容量來提高快取命中率。
因此，儘管 RAM 仍然非常重要（尤其是在非常重的負載或極端多任務處理的情況下），但快取已成為一個關鍵因素，它使得具有相似核心數和頻率的 CPU 設計之間產生真正的差異。
快取記憶體與暫存記憶體
處理器內部不僅可以有快取記憶體；一些架構還包括所謂的暫存內存，重要的是不要混淆這兩個概念，因為它們的原理截然不同。
如我們所見，快取充當著RAM中與目前執行程式碼最接近的資料的自動臨時副本。程式設計師並不會直接管理它：硬體會根據其內部策略決定哪些資料進入緩存，哪些資料退出快取。
另一方面，暫存區內存（Scratchpad RAM）更像是核心或計算區塊內部的本地內存，必須由軟體明確管理。也就是說，程式需要手動將要儲存的資料複製到該空間，並決定何時清除或替換數據，就像使用超本地記憶體一樣。
因此，主要差異在於快取完全透明，由 CPU 自行管理，而暫存器則需要直接的程式碼介入。兩者在一些專用晶片中並存，但快取是我們在 PC、筆記型電腦和行動裝置中使用的通用處理器的標準配置。
快取記憶體如何影響實際效能？
這時，一個合理的問題就出現了：如果兩個處理器擁有相同數量的核心和相近的頻率，快取究竟對效能有多大影響？答案是，這很大程度上取決於工作負載的類型，但在某些任務中，這種差異可能非常顯著。
AMD Ryzen 7 5800X 及其 5800X3D 版本就是一個很好的例子。兩者共享相同的基本架構和相同數量的核心，但 3D 型號增加了大量的堆疊式 L3 緩存，從 32 MB 增加到總共 96 MB。
為了實現這一點，必須略微降低基礎頻率和睿頻頻率，並取消傳統的超頻選項——這些適度的犧牲理論上可能會略微降低原始性能。然而，在測試遊戲和某些對快取敏感的負載時，採用堆疊式L3快取的型號的效能提升非常顯著。
在許多遊戲測試中，5800X3D 的平均 FPS 比原版 5800X 有兩位數的優勢，最有趣的是，它還明顯改善了 1% 的最低幀率，也就是遊戲引擎最吃力、出現卡頓或流暢度下降的時刻。
然而，在繁重的內容創作任務（例如渲染、部分編輯任務等）中，增加 L3 快取帶來的效能提升微乎其微，甚至可能在低頻成為瓶頸時反而降低效能。在這種情況下，瓶頸並非緩存，而是其他因素，例如原始運算能力或記憶體頻寬。
快取記憶體和遊戲效能
現代電子遊戲，尤其是那些對效能要求極高的遊戲，需要處理大量數據，CPU 必須不斷處理這些數據：遊戲邏輯、物理、人工智慧、準備 GPU 的繪製呼叫等等。在這種情況下，擁有一個容量大且利用率高的 L3 快取可以產生顯著的影響。
透過儲存更多與遊戲世界狀態相關的資料和指令，CPU可以減少存取 RAM 的次數。這不僅能提升處理器效能受限遊戲中的平均幀率，更重要的是，還能帶來更高的穩定性：更少的幀率驟降和更穩定的反應時間。
AMD 的所謂 3D V-Cache 技術將這個問題推到了風口浪尖。像 Ryzen 7 7800X3D 和 7950X3D 這樣的型號集成了大量的 L3 緩存（96 MB、128 MB 等），正是憑藉這種額外的緩存容量，它們在家用遊戲性能方面佔據了領先地位。
例如，在 7800X3D 晶片中，它整合了 1MB 的 L1 快取、16MB 的 L2 快取以及著名的 96MB L3 快取。了解快取的工作原理就會發現，這並非只是一個引人注目的行銷數字：它允許將更多遊戲的有用「狀態」儲存在 CPU 內部，從而提高遊戲成功率並減少記憶體存取。
然而，單靠快取並不能創造奇蹟：如果基礎處理器效能很弱，增加快取並不能讓它瞬間變成效能怪獸。對於遊戲而言，理想的組合仍然是高IPC、良好的時脈頻率、足夠的快取以及低延遲的高速記憶體。
英特爾對AMD 3D快取的立場
鑑於搭載3D V-Cache技術的Ryzen處理器在遊戲領域取得了成功，人們很容易認為英特爾會效仿同樣的策略。然而，該公司已明確表示，至少目前來看，他們沒有計劃推出與AMD X3D系列處理器完全相同的解決方案。
英特爾更著重在各種場景（生產力、創作、遊戲、人工智慧等）中維持整體效能的平衡，而不是只針對巨型 L3 快取發揮最大作用的細分市場，也就是核心遊戲。
但這並不意味著他們會忽視快取：該公司確實計劃在下一代產品中逐步提升 L1、L2 和 L3 快取容量，但不會像 AMD 那樣僅依靠大幅提升 L3 快取容量。快取效能確實會提升，但這些提升將會分散進行，並伴隨架構、混合核心、整合 AI 以及其他功能的改進。
然而，競爭壓力顯而易見，尤其是在高階便攜式和桌上型遊戲設備領域，AMD 的 X3D 系列處理器已成為標竿。下一代 CPU將如何演變這場“緩存之戰”，值得我們拭目以待。
CPU快取與其他系統快取的比較
雖然我們通常在談到CPU快取時會提到“快取”，但這個術語更廣泛地適用於任何旨在加快頻繁存取速度的臨時資料儲存設備。除了處理器內建的快取之外，個人電腦還包含幾種類型的快取。
一方面，現代顯示卡擁有自己的內部快取（GPU快取），可以幫助管理紋理、著色器、緩衝區和其他圖形數據，而無需持續依賴顯存（VRAM）。硬碟和固態硬碟也包含磁碟緩存，使用高速記憶體（DRAM或SLC，取決於型號）來緩衝讀寫操作。
在軟體層面，瀏覽器、作業系統和各種應用程式都使用自己的快取：瀏覽器將臨時檔案、映像和 cookie保存到磁碟，這樣就不必再次下載；許多應用程式會儲存常用數據，以便更快地啟動和回應。
手機和平板電腦上也會發生同樣的情況：處理器有其內部的 L1/L2/L3 緩存，集成 GPU 可能有自己的緩存系統，應用程式會用臨時資料填充內部存儲空間以改善用戶體驗……直到它們佔用太多空間，需要清理為止。
重要的是不要將這些軟體或裝置快取與 CPU 快取混淆：它們遵循相同的理念，但位置和速度並不相同。 CPU 快取仍然是迄今為止速度最快、對純粹運算效能最為關鍵的快取。
快取對行動裝置有什麼作用？刪除快取會影響資料嗎？
當我們談到手機或應用程式中的「清除快取」時，我們通常指的不是處理器的 L1/L2/L3 快取（這是硬件，不能隨意刪除），而是應用程式保存在裝置記憶體中的臨時儲存空間。
清除應用程式快取時，您會刪除臨時檔案、下載的圖片、會話資料等，但不會刪除您的照片、影片或個人文件。這些內容儲存在您的內部儲存或記憶卡中，而不是應用程式的快取中。
因此，清除應用程式或安卓/iOS系統本身的快取並不會刪除您的照片或重要檔案。但是，這可能會導致某些應用程式下次開啟時加載某些內容的速度稍慢一些，因為它們需要重新生成或重新下載這些資料。
在行動裝置上，就像在電腦上一樣，定期清除佔用大量資源的應用程式的快取可以很好地恢復儲存空間，防止系統運作緩慢，尤其是在內部儲存空間較小的機型上。
另一方面，處理器的內部快取對使用者完全透明，無需手動「清理」；它在裝置正常運作期間會在幾毫秒內自動管理自身。
簡而言之，當您在手機上看到「清除快取」選項時，請記住，您訪問的是臨時應用程式數據，而不是我們在本文中解釋的 CPU 快取。
處理器快取雖然看不見，但卻影響著一切：從遊戲的流暢度到程式的啟動速度，它都起著至關重要的作用。了解快取的層級結構（L1、L2、L3，以及某些情況下的L4）、它如何與記憶體和儲存裝置交互，以及為什麼在某些情況下增加快取容量可以顯著提升性能，能夠讓你以全新的視角解讀CPU規格，並評估它是否真正符合你的預期用途，無論是遊戲、辦公室、內容創作，只是為了在日常生活中獲得更流暢的系統體驗還是僅僅為了在日常生活中獲得流暢的系統體驗。
