韓信將兵多多益善?CPU緩存探究全測試

    泡泡網CPU頻道4月28日 史曰：“韓信將兵，多多益善”，這是指將才中的優品，無論給他多少士兵，他都能指揮得過來，發揮出每個士兵的戰斗力，那么對CPU來說，緩存就是要控制的千軍萬馬，不過是不是每顆CPU都能充分利用超大容量的緩存呢？

    傳言Intel下一代單芯片處理器Haswell將配備四級緩存，不過最新消息又辟謠說L4緩存并不會出現，目前的桌面級主流處理器最多配備了8MB三級緩存，Sandy Bridge-E最多配備15MB三級緩存，服務器版處理器的三級緩存容量早已達到30MB，盡管Ivy Bridge-E的具體規格還未可知，但是種種跡象表明Ivy Bridge-E的緩存容量肯定會有所提升，那么處理器究竟需要配備多大容量的緩存呢？本次測試將揭開這個謎底。

    我們選擇了四款Intel的主流處理器進行測試，其中包括Intel酷睿i5-2500K、酷睿i7-2700、酷睿i7-3820和旗艦酷睿i7-3960X。在測試之前我們先來了解下緩存的工作機制。

     CPU緩存對于CPU的性能究竟有多大的影響呢？首先，小編先簡單介紹下CPU緩存，CPU緩存（Cache Memory）是位于CPU與內存之間的規模較小的但速度很高的臨時存儲器，它通常由SRAM（靜態隨機存儲器）組成。用來存放那些被CPU頻繁使用的數據，以便使CPU不必依賴于速度較慢的DRAM（動態隨機存儲器）。不過限于它的昂貴成本，一般容量比內存要小。

SRAM結構簡圖

    緩存的設計思路是用少量的速度較快的SRAM作為CPU與DRAM存儲系統之間的緩沖區，起初是在芯片的外部，到了80486時期，這部分SRAM被集成到了芯片內，因此又叫片內Cache。

DRAM結構簡圖

    片內Cache即是今天的一級緩存，這部分緩存的容量是很少的，486芯片內只有8KB，到了奔騰高檔芯片就升級到了16KB，Power PC可達32KB。后來Pentium微處理器改進片內Cache，采用數據和雙通道Cache技術非常靈活、方便，極大地提高了微處理器的性能。

    不過緩存的容量并不是越大越好，除了SRAM的高成本，CPU芯片的面積限制也是重要因素之一。隨著CPU集成越來越多的計算單元，每一代處理器的晶體管數量都相比上代大幅提升，不過隨著制造工藝屢遭瓶頸，摩爾定律也頻繁遭到質疑，好在3D Tri-Gate技術暫時緩解了這方面的困擾，在緩存容量保持不變的情況下，最新的Ivy Bridge比Sandy Bridge多出28%的晶體管，多出來的這部分晶體管主要是用來增強核顯性能，那么目前的8MB三級緩存對于這些處理器就足夠了么？

    本次測試我們采用Intel酷睿i5-2500K、酷睿i7-2700、酷睿i7-3820和旗艦酷睿i7-3960X進行測試，配套主板分別為華碩P8Z68 DELUXE/GEN3和華碩P9X79 DELUXE。

    測試中，我們分別將處理器的主頻鎖定在3.0GHz、4.0GHz（關閉HT超線程）、4.0GHz（開啟超線程）來排除其他因素的干擾作用，測試項目則選擇了Super PI、wPrime、WinRAR、Fritz Chess Benchmark、Cinebench R11.5和3DMark 11。

    Super PI是一款專用于檢測CPU穩定性的軟件，軟件通過計算圓周率讓CPU高負荷運作，以達到考驗CPU計算能力與穩定性的作用。

● 3.0GHz主頻

● 4.0GHz主頻

    在單核性能測試中，三級緩存容量并未引起多大變化。

    wPrime是一款常見的多線程計算測試工具，測試多核心處理器性能時比Super Pi更準確。與SuperPI的單線程運算不同的是，wPrime在打開一個軟件界面下，可以支持多個核心的處理器運算，甚至是8核心處理器。

● 3.0GHz主頻

● 4.0GHz主頻

● 4.0GHz主頻 開啟超線程

    在wPrime多線程性能測試中，三級緩存容量的差別也沒造成影響。

    首先測試的項目是最新的3D性能基準測試軟件3DMark 11，它是Futuremark最新推出的DX11顯卡性能測試工具，同時也兼顧考察CPU處理器的配合能力，尤其是在并行計算方面。3DMark 11基于原生DX11引擎，全面使用DX11 API的所有新特性，包括曲面細分、計算著色器、多線程。3DMark 11繼承并改良了3DMark Vantage的統計方式，去掉了幾乎沒什么人用的高端級(H)。

● 3.0GHz主頻

● 4.0GHz主頻 關閉超線程

● 4.0GHz主頻 開啟超線程

（酷睿i5-2500K不支持超線程）

    從測試成績來看，在低主頻下，L3緩存容量對CPU性能的影響微乎其微，而在超頻至4GHz后，相同核心數下，15MB三級緩存的CPU僅比6MB成績高出4%，這一情況在開啟超線程技術后保持了一致，15MB L3的酷睿i7-3960X比8MB的酷睿i7-2700K也僅高出4%（由于酷睿i5-2500K并不支持超線程，因此這里的數據并不做比較，以下同）。

    CineBench使用針對電影電視行業開發的Cinema 4D特效軟件引擎，可以測試CPU和顯卡的性能，最新版本R11.5對于運算強度有了進一步加強，即便目前最強悍的處理器也很難在這項測試中取得高分。

● 3.0GHz主頻

● 4.0GHz主頻

● 4.0GHz主頻 開啟超線程

    從測試來看，超頻前后包括開啟超線程技術后，L3緩存容量也并未對成績造成明顯影響。

    Fritz Chess Benchmark是國際象棋軟件Fritz自帶的電腦棋力測試程序，由于支持多線程，而且主要測試大量科學計算，所以經常被用來測試處理器的科學運算能力。它通過模擬思考國際象棋的算法測試處理器性能，而且能夠很好地支持多核心、多線程。

● 3.0GHz主頻

● 4.0GHz主頻

● 4.0GHz主頻 開啟超線程

    測試成績顯示，在科學計算測試中，L3緩存容量的差別也未造成多大的差距。

    WinRAR是一個使用用戶非常多的文件壓縮管理共享軟件，針對多媒體數據，提供了經過高度優化后的可選壓縮算法，而且可以支持處理器多線程。

● 3.0GHz主頻

● 4.0GHz主頻

● 4.0GHz主頻 開啟超線程

    在低主頻下，三級緩存容量的不同造成了最大19%的性能差別，當主頻超至4GHz后，15MB三級緩存的酷睿i7-3960X比6MB的酷睿i5-2500K成績高出36%。

● 總結

    從本次測試來看，三級緩存容量的差別并未引起性能的多大變化，15MB三級緩存相比6MB的平均提升不足4%，只在高數據計算的WinRAR解壓縮性能測試中造成了19%的差距，相比之下，CPU在超頻前后的性能差距更為明顯，在針對多線程優化的測試中，關閉開啟超線程技術之后的CPU性能差距也更為明顯，因此目前提升CPU性能的非常好的辦法還是提高CPU頻率，而對于三級緩存，Intel顯然自有打算。■<