为什么L1缓存比L2缓存快？

我试图理解为什么某些CPU高速缓存的内存比其他的快。将高速缓存存储器与主存储器之类的存储器进行比较时，存储器类型（SRAM与DRAM）和可能影响访问速度的局部性问题（片上存储器与必须穿越存储器总线）存在差异。但是L1和L2通常在同一芯片上，或者至少在同一芯片上，我认为它们是同一类型的存储器。那么为什么L1更快呢？

不，即使它们在使用相同制造工艺的同一芯片上，它们也不是相同类型的RAM。

在所有高速缓存中，L1高速缓存需要具有最快的访问时间（最低的延迟），而不是其具有多少容量才能提供足够的“命中”率。因此，它是使用较大的晶体管和较宽的金属走线构建的，因此需要在空间和功率之间进行权衡。较高级的高速缓存需要具有较高的容量，但可以承受得较慢，因此它们使用更紧凑的较小晶体管。

L1通常用作解码指令的存储，而L2是单个内核的通用缓存。高速缓存越低，它的大小就越小，通常速度就越快。作为PC处理器的粗略经验法则：

L1缓存：2-3个时钟周期访问

L2缓存：〜10个时钟周期访问

L3缓存：〜20-30个时钟周期访问

L1高速缓存的设计应该是最大化命中率（所需指令地址或数据地址在高速缓存中的概率），同时保持尽可能低的高速缓存延迟。英特尔使用的L1缓存的延迟为3个周期。L2缓存在一个或多个L1缓存之间共享，并且通常更大得多。L1高速缓存旨在最大程度地提高命中率，而L2高速缓存旨在最大程度地降低未命中损失（发生L1未命中时产生的延迟）。对于具有L3高速缓存的芯片，其目的特定于芯片的设计。对于Intel而言，L3缓存在2002年首次出现在4路多处理器系统（奔腾4 Xeon MP处理器）中。从这种意义上讲，L3缓存大大减少了多线程环境中的延迟，并减轻了FSB的负担。当时，

引用来源这里从“Pinhedd的”回应。

速度与尺寸成反比有几个原因。首先想到的是导体的物理控制，其中信号传播受光速限制。一次操作可能要花费很长的时间，这将需要一个电信号才能在内存块内和向后传播最长的距离。另一个相关原因是时钟域的分离。每个CPU都运行自己的时钟发生器，该时钟发生器使CPU可以运行在GHz以上的时钟上。级别1高速缓存在CPU时钟上运行并与CPU时钟同步，这是系统中最快的。另一方面，二级缓存必须服务多个CPU，并且运行在不同的（较慢的）时钟域中。不仅L2时钟变慢（较大的图块），而且越过时钟域边界也会增加另一个延迟。然后当然还有扇出问题（已经提到）。

除了固有的性能特征外，局部性也起作用（L1更靠近CPU）。根据每个程序员对内存的了解：

有趣的是，对于片上L2缓存，访问时间的很大一部分（可能甚至是大部分）是由线路延迟引起的。这是一个物理限制，只会随着高速缓存大小的增加而变得更糟。只有缩小工艺（例如，从Merom的60nm到Intel的Penryn的45nm）才能改善这些数字。