韩信将兵多多益善?CPU缓存探究全测试

    泡泡网CPU频道4月28日 史曰：“韩信将兵，多多益善”，这是指将才中的优品，无论给他多少士兵，他都能指挥得过来，发挥出每个士兵的战斗力，那么对CPU来说，缓存就是要控制的千军万马，不过是不是每颗CPU都能充分利用超大容量的缓存呢？

    传言Intel下一代单芯片处理器Haswell将配备四级缓存，不过最新消息又辟谣说L4缓存并不会出现，目前的桌面级主流处理器最多配备了8MB三级缓存，Sandy Bridge-E最多配备15MB三级缓存，服务器版处理器的三级缓存容量早已达到30MB，尽管Ivy Bridge-E的具体规格还未可知，但是种种迹象表明Ivy Bridge-E的缓存容量肯定会有所提升，那么处理器究竟需要配备多大容量的缓存呢？本次测试将揭开这个谜底。

    我们选择了四款Intel的主流处理器进行测试，其中包括Intel酷睿i5-2500K、酷睿i7-2700、酷睿i7-3820和旗舰酷睿i7-3960X。在测试之前我们先来了解下缓存的工作机制。

     CPU缓存对于CPU的性能究竟有多大的影响呢？首先，小编先简单介绍下CPU缓存，CPU缓存（Cache Memory）是位于CPU与内存之间的规模较小的但速度很高的临时存储器，它通常由SRAM（静态随机存储器）组成。用来存放那些被CPU频繁使用的数据，以便使CPU不必依赖于速度较慢的DRAM（动态随机存储器）。不过限于它的昂贵成本，一般容量比内存要小。

SRAM结构简图

    缓存的设计思路是用少量的速度较快的SRAM作为CPU与DRAM存储系统之间的缓冲区，起初是在芯片的外部，到了80486时期，这部分SRAM被集成到了芯片内，因此又叫片内Cache。

DRAM结构简图

    片内Cache即是今天的一级缓存，这部分缓存的容量是很少的，486芯片内只有8KB，到了奔腾高档芯片就升级到了16KB，Power PC可达32KB。后来Pentium微处理器改进片内Cache，采用数据和双通道Cache技术非常灵活、方便，极大地提高了微处理器的性能。

    不过缓存的容量并不是越大越好，除了SRAM的高成本，CPU芯片的面积限制也是重要因素之一。随着CPU集成越来越多的计算单元，每一代处理器的晶体管数量都相比上代大幅提升，不过随着制造工艺屡遭瓶颈，摩尔定律也频繁遭到质疑，好在3D Tri-Gate技术暂时缓解了这方面的困扰，在缓存容量保持不变的情况下，最新的Ivy Bridge比Sandy Bridge多出28%的晶体管，多出来的这部分晶体管主要是用来增强核显性能，那么目前的8MB三级缓存对于这些处理器就足够了么？

    本次测试我们采用Intel酷睿i5-2500K、酷睿i7-2700、酷睿i7-3820和旗舰酷睿i7-3960X进行测试，配套主板分别为华硕P8Z68 DELUXE/GEN3和华硕P9X79 DELUXE。

    测试中，我们分别将处理器的主频锁定在3.0GHz、4.0GHz（关闭HT超线程）、4.0GHz（开启超线程）来排除其他因素的干扰作用，测试项目则选择了Super PI、wPrime、WinRAR、Fritz Chess Benchmark、Cinebench R11.5和3DMark 11。

    Super PI是一款专用于检测CPU稳定性的软件，软件通过计算圆周率让CPU高负荷运作，以达到考验CPU计算能力与稳定性的作用。

● 3.0GHz主频

● 4.0GHz主频

    在单核性能测试中，三级缓存容量并未引起多大变化。

    wPrime是一款常见的多线程计算测试工具，测试多核心处理器性能时比Super Pi更准确。与SuperPI的单线程运算不同的是，wPrime在打开一个软件界面下，可以支持多个核心的处理器运算，甚至是8核心处理器。

● 3.0GHz主频

● 4.0GHz主频

● 4.0GHz主频 开启超线程

    在wPrime多线程性能测试中，三级缓存容量的差别也没造成影响。

    首先测试的项目是最新的3D性能基准测试软件3DMark 11，它是Futuremark最新推出的DX11显卡性能测试工具，同时也兼顾考察CPU处理器的配合能力，尤其是在并行计算方面。3DMark 11基于原生DX11引擎，全面使用DX11 API的所有新特性，包括曲面细分、计算着色器、多线程。3DMark 11继承并改良了3DMark Vantage的统计方式，去掉了几乎没什么人用的高端级(H)。

● 3.0GHz主频

● 4.0GHz主频 关闭超线程

● 4.0GHz主频 开启超线程

（酷睿i5-2500K不支持超线程）

    从测试成绩来看，在低主频下，L3缓存容量对CPU性能的影响微乎其微，而在超频至4GHz后，相同核心数下，15MB三级缓存的CPU仅比6MB成绩高出4%，这一情况在开启超线程技术后保持了一致，15MB L3的酷睿i7-3960X比8MB的酷睿i7-2700K也仅高出4%（由于酷睿i5-2500K并不支持超线程，因此这里的数据并不做比较，以下同）。

    CineBench使用针对电影电视行业开发的Cinema 4D特效软件引擎，可以测试CPU和显卡的性能，最新版本R11.5对于运算强度有了进一步加强，即便目前最强悍的处理器也很难在这项测试中取得高分。

● 3.0GHz主频

● 4.0GHz主频

● 4.0GHz主频 开启超线程

    从测试来看，超频前后包括开启超线程技术后，L3缓存容量也并未对成绩造成明显影响。

    Fritz Chess Benchmark是国际象棋软件Fritz自带的电脑棋力测试程序，由于支持多线程，而且主要测试大量科学计算，所以经常被用来测试处理器的科学运算能力。它通过模拟思考国际象棋的算法测试处理器性能，而且能够很好地支持多核心、多线程。

● 3.0GHz主频

● 4.0GHz主频

● 4.0GHz主频 开启超线程

    测试成绩显示，在科学计算测试中，L3缓存容量的差别也未造成多大的差距。

    WinRAR是一个使用用户非常多的文件压缩管理共享软件，针对多媒体数据，提供了经过高度优化后的可选压缩算法，而且可以支持处理器多线程。

● 3.0GHz主频

● 4.0GHz主频

● 4.0GHz主频 开启超线程

    在低主频下，三级缓存容量的不同造成了最大19%的性能差别，当主频超至4GHz后，15MB三级缓存的酷睿i7-3960X比6MB的酷睿i5-2500K成绩高出36%。

● 总结

    从本次测试来看，三级缓存容量的差别并未引起性能的多大变化，15MB三级缓存相比6MB的平均提升不足4%，只在高数据计算的WinRAR解压缩性能测试中造成了19%的差距，相比之下，CPU在超频前后的性能差距更为明显，在针对多线程优化的测试中，关闭开启超线程技术之后的CPU性能差距也更为明显，因此目前提升CPU性能的非常好的办法还是提高CPU频率，而对于三级缓存，Intel显然自有打算。■<