千项数据达成!DDR3内存深度对比测试
泡泡网内存频道11月7日 1982年Intel发布了8086的继任者80286处理器,首款可插拔的SIMM(Single In-lineMemory Modules)内存(RAM,Random Access Memory)也相继诞生,虽然产品容量只有区区256KB-2MB,但对于当时的处理器已经完全可以满足计算的需求,时隔30年内存已经发展到DDR3,桌面消费级已经达到了单条8GB的容量,而服务器版本单条最高可达32GB。
内存容量和频率成千上万倍的扩展,使得其很难对CPU的性能发挥构成瓶颈,而内存也渐渐退居DIY二线。在内存容量饱和的今天,人们的关注点逐渐向内存频率倾斜。回到目前Intel和AMD的桌面CPU,Intel最新Ivy Bridge官方支持频率为DDR3 1600,而AMD的FX打桩机和Trinity APU都稍高一些为DDR3 1866,这基本都代表了DDR3内存的基本盘,而现在DDR3 2133也基本降到了合理价位,成为市场的新主流。
在容量饱和后,对于用户来说追求更高的内存频率,一直是中高端DIY用户的出发点。其实一直以来我们对内存的认识都存在一定的误区,首先影响内存性能的不仅仅是内存的频率,例如内存时序;另外更高的内存频率相对于目前已经饱和的内存带宽来说并不会带来实质的性能提升,而本文将着眼于内存频率、内存时序、内存带宽以及应用程序和游戏性能的表现来探讨用户的实际内存需求。
在测试内存频率、内存时序、内存带宽以及应用程序和游戏性能的表现之前,我们还是来简要的介绍下内存的性能与规格表现,对于熟知的内存频率我们就不再这里赘述了,毕竟更高的内存频率可以获得更高的理论数据带宽。
那么影响内存的性能的就剩下了内存时序,当然主板以及CPU也会对内存的性能发挥产生一定的影响。内存在与CPU建立通讯和数据传输时,为了保证数据传输的配对需要一个响应时序,根据JEDEC(Joint Electron Device Engineering Council,固态技术协会)的DDR3内存规范,影响这个响应时序的参数包括CL、tRCD、tRP、tRAS四个参数,它们的响应时间都是以整数周期来计算的。当然影响上述四个参数,其余的tRC、tRFC、tRRD、tWR等参数也会影响到内存性能发挥。
● tCL(CAS Latency Control)
tCL是内存读写操作前列地址控制器的潜伏时间,也就是说CAS控制器从接受一个指令到执行指令之间的时间,很显然tCL周期数越短,那么对于传输前的时间效率利用率更高,不过这会引发一个问题就是会加大数据的丢失的几率,所以tCL并不允许工作在超低的时序下。
● tRCD(RAS to CAS Delay)
tRCD代表行寻址到列寻址的延迟时间,当然也是数值越小越好。对内存进行读、写或刷新操作时,需要在这两种脉冲信号之间插入延迟时钟周期。在 JEDEC规范中,它是排在第二的参数,降低此延时,可以提高系统性能。如果该值设置太低,同样会导致系统不稳定。
● tRP(Row Precharge Timing)
tRP代表内存行地址控制器预充电时间,同样预充电时间越短,内存性能越好,tRP用来设定在另一行能被激活之前,RAS需要的充电时间。tRP参数设置太长会导致所有的行激活延迟过长,较短的时钟周期可以更快地激活下一行。然而想要把tRP设置在较低的时钟周期对于大多数内存都有很高的要求,并且会造成行激活之前的数据丢失,内存控制器不能顺利地完成读写操作。
● tRAS(Min RAS Active Timing)
tRAS代表内存行有效至预充电的最短周期,如果tRAS的周期太长,系统会因为无谓的等待而降低性能。降低tRAS周期会导致已被激活的行地址会更早的进入非激活状态。而tRAS的周期太短,则可能因缺乏足够的时间而无法完成数据的突发传输,这样会引发丢失数据或损坏数据。DDR3内存tRAS时序一般在:24-33个周期左右。
和主板、显卡一样,内存也有BIOS,我们习惯称之为SPD(Serial Presence Detect)信息,它是一颗8针的EEPROM芯片,容量只有256Byte,其中128Byte用于存储JEDEC规定的标准信息,其余部分留给厂商自定义数据,包括产品厂商产品型号等信息,另外著名的Intel X.M.P信息也被存储在这里。除了以上信息,内存SPD里面还记录着内存工作频率、工作电压、速度、容量、电压与行、列地址带宽等参数。
在平时使用时,尽管内存没有SPD芯片不会影响的正常工作,但如果内存有了SPD芯片,在启动计算机后,主板BIOS会读取内存SPD芯片中的信息,内存控制器会根据SPD芯片中的信息自动配置相应的内存工作时序与控制寄存器,从而可以充分发挥内存条的性能。
用于存储内存信息的SPD芯片
而说起内存频率不得不说起Intel X.M.P(Extreme Memory Profile),由于JEDEC规范定义的内存频率无法满足高阶处理器用户的需求,早期内存超频需要手动设置频率、时序、电压等规格参数,比较麻烦,为了解决这一问题Intel通过在主板BIOS和内存SPD中授权一组更高的内存频率时序配置,只需在主板中开启X.M.P就可以获得想要的频率,当然X.M.P定义的频率都是经过内存厂商和主板厂商严格测试验证的。
在通过XMP认证的内存会在内存地址176--254Byte位置中记录内存的速度设定,最多可以保存2组设定值。显然如需要得到XMP的认证,厂商就必须把内存及该设定送交Intel测试,通过后就会给予认证。
当然对于发烧DIY玩家来说,Intel X.M.P技术没有多大的意义,毕竟这些设置在主板中完全通过手动设置,X.M.P技术并不会有任何的内存增加性能,不过对于普通高阶用户,简化的设置能够让其更加容易上手,并且少去了一些繁琐的超频验证过程。
除了Intel的X.M.P技术,AMD也将在未来推出兼容AMD芯片组主板的A.M.P(AMD Memory Profile)技术,原理基本和Intel相类似。
简要看完DDR3内存的时序和SPD信息后,接下来就开始正式的测试,我们知道JEDEC官方的DDR3内存频率只有DDR3 1066、1333和1600MHz,现在的内存基本都是1333MHz起,随着工艺的进步,内存厂商为了增强产品的传输性能和市场号召率纷纷推出了超频版内存,DDR3 2133、DDR3 2400、DDR3 2666、DDR3 2800等规格的内存已经是屡见不鲜了。
为最大限度发挥内存的性能,测试使用了Intel新一代22nm Ivy Bridge处理器Core i7 3770K,Intel官方指导内存支持频率为DDR3 1600。搭配的微星Z77A-GD80主板,产品超频最高可以支持双通道DDR3 2800内存,最大容量为32GB,当然主板支持Intel的X.M.P技术。
而显卡方面选择了技嘉N680OC-4GD,产品基于NVIDIA Kepler GK104核心,采用28nm工艺,拥有1536个流处理器,核心默认频率1072MHz,BOOST频率1137MHz,并配备4GB GDDR5显存,相比公版有不小的提升。
内存方面自然是本次测试的重点,选用了美光铂胜智能探索者BLT2CP4G3D1869DT2TXRG(以后全部用美光DDR3 1866代替),产品内置一组X.M.P内存配置,规格为DDR3 1866,时序为9-9-9-27,电压也为标准的1.5V,美光内存在DDR2时代的D9颗粒已经是如雷贯耳,新的美光DDR3 1866内存颗粒也采用了D9前缀命名,寓意超频传奇的延续。
美光DDR3 1866内存可以以9-9-9-27的时序稳定工作在DDR3 2133,而本次测试高频部分全部采用了超频设置来完成。
内存测试共涉及DDR3 800、DDR3 1066、DDR3 1333、DDR3 1600、DDR3 1866、DDR3 2133六组频率,每个频率下都包含多组的测试时序。
● 说明:接下来的所有测试数据都未经过手动修正使其符合惯性的测试规律,甚至一些可以明显的看出不合理误差。毕竟对于内存这种细微差别的测试(实际测试中,使用了三遍取平均值),每个数据没有几十次的测试很难获得可靠度较高的数据,由于时间限制无法做出更精确的测试,而本文的要点则是从这些数据中找出普遍的规律。
与其它内存不同的是,美光DDR3 1866内存板载多颗LED发光灯,用户可以自定义发光模式,而在本次测试中LED发光灯还有另外一个作用就是监控内存的负载,LED发光灯会根据内存负载状况通过LED的闪动频率对应表达,最高负载时内存LED频率闪动高到肉眼无法分辨,给人的错觉就是长亮。
首先还是进行内存测试必备的AIDA64内存带宽测试,测试我们选取了读取带宽、写入带宽和延迟三个类别的数据。
首先展示的一组AIDA64内存读取带宽测试数据,基本呈现两个特征,随着频率提升带宽持续稳定上升,另外同频率下随着时序的周期数增加,读取带宽会出现下降趋势。
其中最低的DDR3 800 8-8-8和最高的DDR3 2133 8-8-8带宽差了一倍还要多一些。另外总体说来内存频率比内存时序对能内存实际传输带宽的影响更大一些。
接下来的AIDA64内存写入带宽测试数据,也基本呈现了上述的两个特征,不过在DDR3 1866频率全部时序下,写入带宽出现了诡异的情况,竟然比DDR3 1600要低出不少,即使后来的DDR3 2133也比DDR3 1600稍逊一筹,目前对这一现象我们也无法给出确切的解释(猜测可能是其它内存参数Auto导致)。
最后的延迟数据则很好的体现了时序对延迟的影响,当然频率依然占据了主要作用。
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从实际拍摄的照片和视频来看(注意AIDA64内存测试部分仅为开始一段,后面的测试为CPU 一、二、三级缓存的测试),AIDA64内存测试时LED灯非常明亮,基本可以判定内存为满负载运行,也就是说内存频率或者时序仍然还强烈的影响着内存性能的发挥。
接下来的测试Super PI测试看似和内存性能没有多大关系,但是只要和CPU计算相关的测试都和内存有密不可分的关系,测试中选择了传统的1M位模式,单位为s。
我们知道Super PI是单核心参与的运算,理论上对内存带宽要求并不高,而实际测试中1M测试成绩基本和内存频率和内存时序并没有什么具体联系。
如果说有些数据需要放大了看才能显现出比例关系,那么接下来我们就一起来看看图表放大3倍、起始值为7s的图表表现(后文中所有测试表格数据差异不明显的全部添加一张放大3倍的图),进一步放大后,我们看到的数据依然和前面没有什么区别,相近的测试成绩并没有任何的上升趋势。
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再来看看运行Super PI 1M时的内存负载和实时录像吧,从图片和视频可以看出运行Super PI 1M时内存的负载并不高,至少可以说明内存的传输带宽没有对其计算性能发挥构成瓶颈。
如果说单核计算不能充分利用内存的带宽,那么接下来选取的测试CineBenchmark 11.5则可以充分调动Core i7 3770K四核八线程的威力,挖掘出内存的传输带宽。
从上图的实际测试对照表中我们似乎也没有发现从DDR3 800到DDR3 2133频率变化带来的CineBenchmark 11.5得分提升,而内存时序变化的影响也被淹没在里面。整个测试成绩都在7.37--7.57pts狭小范围内波动。
接下来还是照例拿出三倍比例放大图,如图我们似乎看到CineBenchmark 11.5得分随着内存频率和时序的变化呈现阶段性的增长,只是这种增长非常缓慢。
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最后我们来看看内存负载照片和视频的表现,内存LED灯较Spuer PI负载时闪动频率低了一些,不过亮度却比Spuer PI高了不少,而这说明CineBenchmark 11.5相对来说需要更高的内存带宽,但是对传输延迟要求更低一些。
除了常规的Benchmark性能测试,接下来进行的是WinRAR解压缩测试,当然为了保证测试的最小误差,测试依然使用了WinRAR自带的测试工具。
从上述表格可以看出随着频率和时序的变化,WinRAR解压缩性能得到了显著的提升,这充分说明WinRAR对内存频率和时序有着强烈的依赖,测试成绩最低的DDR3 800 8-8-8成绩为5310KB/s,而成绩最高的DDR3 21338-8-8达到了9235KB/s,性能提升接近一倍了。鉴于巨大的差异,这部分就不再放上3倍放大图表。
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接下来继续查看内存的负载情况,从图片和视频中可以看出LED灯闪动的频率已经非常之高了,并且LED的亮度也达到了空前的高度。
接下来一项3DMark 11测试,这是本次测试中误差率最低的工具,这也充分说明了权威的3DMark 11确实有着过人的Benchmark本领。值得注意的是为了更加明显反应内存性能的影响仅选择了物理测试这一项,不过在最后一项完整版测试里面我们还是加入了为数不多的典型内存频率、典型内存时序的测试成绩。
3DMark 11 Physics测试也完全不需要使用3倍放大图来做进一步的解释了,测试成绩也很明显,随着频率和时序的变化,3DMark 11 Physics得分出现了严格的阶梯递增关系,最高得分为DDR3 2133 8-8-8创造的10124,而最低得分依然为DDR3 800 8-8-8创造的7287。
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最后还是来看下实拍图片和视频吧,3DMark 11 Physics测试同样让我们惊讶,整个测试过程LED几乎一直保持最高亮度,并且基本没有闪烁。看来3DMark 11 Physics也是充分挖掘出了测试内存的性能。
测试完了基准Benchmark和实际应用,接下来是游戏测试,游戏测试也只能选择带Benchmark的,测试游戏包括《Lost Planet 2》和《Metro 2033》。首先进行的游戏是《Lost Planet 2》,测试分辨率设置为1920x1080,画质设置为最高,并开启4xAA抗锯齿。
《Lost Planet 2》测试中又回到了CPU应用程序的测试情形,整个测试成绩随着内存频率和时序的变化并没有明显的波动。
于是我们开始调动3倍放大图标来查看测试成绩,经过一番放大,可以看到随着频率的提升,《Lost Planet 2》的平均帧率有非常小的持续提升,另外内存时序对游戏成绩的影响也能够窥见一斑。值得注意的是由于测试的数据量较小,整个测试成绩误差波动较大,影响了性能的正常表现。
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最后还是照例放上实拍图片和视频,从视频中可以看出《Lost Planet 2》测试时内存一直都没有满载,LED灯闪动的频率以及亮度都远不及3DMark 11 Physics测试时,毕竟大多数游戏CPU负载并不是非常高,更何况内存的负载了。
《Metro 2033》使用了和《Lost Planet 2》相同的设置,所不同的是《Metro 2033》基本是显卡的杀手,连4GB超频版GeForce GTX 680显卡也不很流畅。
首先看到的游戏帧率图表几乎清一色的29.xxfps,只有极少数的30.xxfps,而这个帧率图表也和《Lost Planet 2》表现一样,很难直接看懂,所以我们还是请出了3倍放大对比。
放大后的图标似乎有了些许的变化,整个游戏平均帧率和内存频率、内存时序呈现微弱的阶段性增长关系,不过并不明显,当然你也可以认为这或许是误差造成的。
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最后还是来看看实时照片和视频,通过视频我们可以看到在运行游戏Benchmark时,内存等闪烁较明显,基本和前面的《Lost Planet 2》表现相似,当然LED灯闪动的频率、亮度同样都远不及3DMark 11 Physics测试时。
鉴于3DMark 11 Physics的惊人表现,我们将一些典型的频率和时序配置进行了完整3DMark 11 Performance测试,测试方法依然是三遍取平均值。
虽然3DMark 11 Performance更注重测试图形性能的表现,测试成绩更能代表3D游戏图形的性能,不过3DMark 11和游戏测试还是不尽相同,因为3DMark 11还包含了纯CPU(Physics)的测试,这是和游戏截然不同的负载,虽然比重并不是很大,但还是有一定的影响,读者就以参考的方式将其应用到实际游戏表现。
3DMark 11 Performance测试仅仅包含了6组成绩,刚好每个频率一个,其配对的时序都是时下典型的内存配置,而引入DDR3 1066 8-8-8和DDR3 800 7-7-7则纯粹是为了对比,当然还有更重要的作用,这些会在总结中得到详细说明。
从测试成绩可以看出,从主流的DDR3 1333到DDR3 2133,整个3DMark 11得分提升并不明显,还不及DDR3 1066 8-8-8或DDR3 800 7-7-7一档提升的多。
好了到了结论的时间,在结论之前还是做一些简要的说明,这些将有助于读者对后面的分析的理解。
● 关于测试平台
Intel Core i7 3770K + GTX 680的组合并不能代表大多数用户的实际情况,所以测试可能有失偏颇,但是为了更加详细的对比、以及更加充分挖掘内存的性能表现,高端平台测试成绩来的更加显而易见。
正如我们在前文说明的那样,内存的性能表现不仅仅与自己的规格参数相关,还与平台CPU以及主板有关,CPU在这里我们就不用说了,而主板也确实会因为实际的参数并不100%到位,导致同一内存在不同的主板上有不同的表现。另外就是由于测试时间的限制我们无法收集更多的测试平台(不同CPU、显卡等)数据,还请读者谅解,而本次测试也仅代表Core i7 3770K + GTX 680这一类平台表现。
● 关于内存
大家或许会问整个测试就只使用了一对内存是怎么做到的各种频率各种时序的配置,当然这个是通过BIOS设置来获得不同的频率,而这个时候问题就来了,各种主板对内存的各种频率、时序的发挥都有不同的表现,甚至是稳定性。
回归到这一点,所以测试使用了相同的主板和内存,另外为保证测试内存的数据可靠,测试的内存基本都通过了简单的稳定性验证,在文章撰写之前我还打算加入DDR3 2400频率的对比,不过在DDR3 2400的三组不同时序都出现不同程度的稳定性问题,所以从测试成绩里面剔除了,另外目前来说DDR3 2400内存使用的概率也是非常低。
在内存时序方面,由于每个频率可以稳定的时序组合非常之多,最多的可以到几十组,而测试很难完成这么多项目的测试,所以测试时序全部使用了统一的x-y-z(x=y=z)的配对组,另外内存的行有效至预充电的最短周期也统一设置为保守的30。
另外关于内存要说明的一点就是影响内存性能的除了内存频率、内存时序,还有另外一些tRC、tRFC、tRRD、tWR等参数,而在这次测试中这些数据全部使用了Auto设置,可能会对内存的性能造成不同程度的影响,进而干扰测试结果。
在介绍内存性能之前,还是让我们先明白一个概念,我们在前面已经提到了影响内存性能的因素包括内存频率、内存时序以及另外一些时序参数。内存频率我们很好理解,就是内存工作的频率,而频率的直接结果就是理论内存传输带宽,那么内存时序就是内存延迟吗?答案是否定的。
内存时序是内存延迟的重要因素,另外内存频率也会影响到内存的延迟,内存频率和内存延迟成反比,例如相同时序下DDR3 800的延迟基本是DDR3 1600的两倍,当然这只是理论数值,实际延迟有所不同。
无论是延迟还是传输带宽都会影响应用程序的性能发挥,简而言之就是内存的性能。在AIDA64内存带宽和延迟测试中,选取的三部分数据:内存读取带宽、内存写入带宽和内存延迟,算得上是内存实际传输性能的原始写照。
首先看下读取性能和写入性能,内存频率的影响我们就不再赘述了,而内存时序的影响实际也是一笔非常可观的数字,例如低时序的DDR3 1600 6-6-6几乎和DDR3 1866 11-11-11相媲美,而接下来的DDR3 1866 7-7-7已经超越了部分DDR3 2133的内存时序成绩,表现非常抢眼。写入方面由于数据比较离奇就无法为大家解释了。
接下来的延迟测试部分,可以看到尽管随着频率的提升,整体内存时序都出现了上升,但是依靠较高的频率,高频率内存依然获得了最低的延迟。我们任意抽取内存时序相同的两组数据--DDR3 2133 9-9-9和DDR3 1066 9-9-9,它们的频率刚好相差一倍,最终它们的实际延迟分别为35.4ns和56.3ns,延迟降低了近60%。
内存性能直接和CPU计算相挂钩,应用成绩的内存性能表现也基本是通过CPU来体现的,例如3DMark 11 Physics物理测试中内存频率的提升、内存延迟的降低对于物理得分起到了至关重要的作用,而与之情况相类似的CineBenchmark则更多的强调计算,并且对于内存带宽的苛求并没有使内存满负载运行,所以测试成绩影响不怎么大。至于单核计算的Super PI性能在频率和时序发生惊天动地的变化情况下,也依然无动于衷。
再来看看游戏性能的表现和3DMark 11 Performance基准性能的表现,可以说除了3DMark 11 Performance,内存性能对游戏性能表现并不理想,直观的提升内存频率和时序对游戏作用并不大,从这一方面来看发烧DIY玩家追求上千元甚至价格更高的内存还不如用去升级CPU或显卡,要知道CPU提升0.1GHz或是显卡提升0.1GHz也比内存从DDR3 1600提升到DDR3 2133来的更加实在。
而即使是3DMark 11 Performance的表现也不尽如人意,虽然前面的3DMark 11 Physics似乎埋下了不错的伏笔,但完整版测试并没有延续这一辉煌,这是因为3DMark其余的5个测试项目4个为GPU测试、1个为联合测试都与CPU的关系拉远了,另外CPU总得比分权重也只有25%,远远落后于GPU得权重,而这样稀释之后整个性能提升就微乎其微了。
简单来说:内存对应用程序的性能影响也就是内存带宽和延迟是否对应用程序造成瓶颈。
每代新的CPU发布时,无论是Intel还是AMD都会公布新CPU或主板(早期主板通过北桥支持不同的内存频率)支持的标准内存频率,例如大部分Sandy Bridge官方指定为DDR3 1333,而到我们测试的Ivy Bridge则提升为DDR3 1600,而AMD那边无论是FX打桩机/推土机还是Llano/Trinity APU标准的内存频率支持均达到了DDR3 1866,无论是Intel还是AMD将内存频率定义的过低,与市面上DDR3 2133已经泛滥的内存是不是格格不入,而制约了CPU的性能发挥呢?
而本次测试的为Ivy Bridge处理器,这里就以此为例来阐述,对于CPU的性能发挥,那么AIDA64内存带宽性能与CPU性能没有直接的关系所以直接抛弃掉。
接下来就一一来分析其余的测试项目,Super PI自始至终纹丝不动的表现,基本测试的任意内存频率都没有制约CPU性能的发挥,接下来的四核八线程CineBenchmark 11.5测试,如果取标准的DDR3 1600 9-9-9成绩为7.54pts,与性能最高的7.57pts差距甚微,整体比例在0.4%左右。
WinRAR应用性能测试,DDR3 1600 9-9-9的成绩为7818,相比最高的9235差了1000多分,差距达到了18.1%,确实已经制约了CPU的性能发挥。
3DMark 11 Physics测试中DDR3 1600 9-9-9成绩为9538,对应的最高成绩为10124,差距为6.1%,同样制约了CPU性能的发挥。
接下来的亮相游戏测试DDR3 1600成绩已经是基本盘,虽然稍有不足,但差距完全在2%以内,对性能影响甚小。但是测试的亮点不是DDR3 1600,而是DDR3 800频率下的成绩表现,在《Lost Planet 2》的表现中,DDR3 800颓势非常明显,很显然DDR3 1066是一个分界线,我们有理由相信内存频率继续降低瓶颈将再次显著拉大,至于《Metro 2033》虽然表现一般,但也是处于垫底的水平,不过暂未发现瓶颈。
最后一项3DMark 11 Performance的表现再次和《Lost Planet 2》相似,在DDR3 800频率下,得分狂跌至9255,相比最高的9947,损失了将近7.5%,而在DDR3 1600频率下得分就恢复到正常的9866,与最高的得分差距猛然缩减到0.8%,另外DDR3 1066性能损失也较大,对于这个平台来说,DDR3 1333是基本盘,低于这个值就会造成性能瓶颈,严重制约CPU性能的发挥,进而影响整个平台的性能表现。
综合上述的一一阐述,内存对CPU性能的发挥,对于IVB(至少这套平台)来说DDR3 1333就基本能够发挥出绝大部分的性能,如果低于这个值性能就会受到较大影响,而高于这个值对于整个平台并没有显著的性能提升,这也是我们在之前阐述的观点,高频率内存带来的性能提升远比CPU和显卡来的小,当然前提是不能成为平台的瓶颈,而DDR3 1333和DDR3 1600基本相似的价位(实际市售的DDR3 1333内存基本都可以直接超频至DDR3 1600频率来工作),相对来说DDR3 1600更加适合主流IVB用户的需求,从这也可以看出Intel将IVB标准内存定义在DDR3 1600是完全合情合理的。
当然如果你对诸如文件解压缩或者说有极高的跑分需求,那么高频内存还是有一定的实际意义。■<