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为什么CPU有三级缓存，而GPU只有两级缓存？

创业者李孟

2025-11-22

导读：为什么CPU设计了三级缓存，GPU只设计两级缓存？

为什么CPU设计了三级缓存，GPU只设计两级缓存？按照我的理解，CPU缓存的终极目的是降低指令延迟，GPU也是为了提高带宽，但是顺着这个思路却想不到问题的答案

这可不是工程师拍脑袋决定的，而是因为它们俩的"工作性格"完全不一样。打个比方，CPU就像医院里的急诊医生，讲究"快准狠"，必须第一时间处理紧急情况；而GPU则像食堂阿姨打饭，追求的是"批量快"，管你多少人，唰唰唰就把饭打出来了。

CPU：三级缓存就像贴身秘书+文件柜+档案馆

CPU的三级缓存，就像是给它配了三套"数据仓库"。最里面的L1缓存最小（就几万个字节），但速度快得离谱，相当于老板的"贴身秘书"，手里永远拿着最常用的文件，随要随给，一秒都不带耽误的。中间的L2缓存就像"部门文件柜"，能装更多东西（几百万字节），虽然找起来慢一点，但常用的资料都在这儿。最外面的L3缓存就是公司的"档案馆"了，能存几十亿字节的数据，全公司（所有CPU核心）都能用，就是找东西得等一会儿——不过比起跑到公司外面（内存或硬盘）去调资料，还是快太多了。

为啥CPU这么"矫情"，非要三级缓存伺候？因为它干的都是精细活。比如你用Excel算工资，或者玩需要复杂操作的游戏时，CPU要不断判断"如果这样就执行A，否则执行B"。这种时候，数据能不能马上拿到手，直接决定了反应速度。就像老司机开车，看到红灯得立刻踩刹车，晚0.1秒都可能出事。三级缓存就是保证CPU能"秒反应"的关键，把常用数据层层"囤"起来，90%以上的需求都不用等。

GPU：两级缓存够用，因为它靠"人海战术"

GPU就完全是另一个路数了。它的L1缓存是每个计算单元（类似小CPU）自己用的"小抽屉"，L2缓存是大家共用的"储藏室"，但它偏偏不搞L3。这不是因为GPU"穷"，而是因为它根本不需要——GPU的秘诀是"人多力量大"。

想象一下，当你用显卡打《赛博朋克2077》时，屏幕上每秒要渲染几十张复杂画面，每张画面有几百万个像素点需要计算。这时候GPU会同时开工几千上万个"小工人"（线程），每个工人干一点点简单重复的活。就算某个工人需要的数据暂时拿不到（比如要从显存里调），其他几千个工人照样能接着干，等数据来了再回头处理就行。这种情况下，建个超大的L3缓存反而浪费——就像食堂阿姨不会给每个打饭窗口都配个仓库，大家共用一个大储藏室就够了，反正一次能煮几百人的饭。

工作方式不同，缓存设计当然不一样

最根本的区别在于CPU和GPU的"工作习惯"。CPU喜欢"深入思考"，一次只干一件复杂的事，但要求特别快；GPU则擅长"集体作业"，一次干几万件简单的事，追求总量大。

比如算数学题，CPU算1+2+3+...+10000，会老老实实按顺序一个一个加；GPU则会把这道题拆成10000道"1+2""3+4"这样的小题，分给10000个小工人同时算，最后把结果加起来。这时候，数据是不是放在第三级缓存根本不重要，只要工人够多，哪怕数据暂时不够，大家轮着等一会儿，总体速度照样飞快。

再举个更形象的例子：CPU像你点外卖时遇到的"现做现卖"的小餐馆，虽然出餐慢，但你点个特别的菜也能做；GPU则像学校食堂，菜都是大锅提前做好的，虽然选择少，但几百人来了也能几分钟内全打上饭。餐馆需要冰箱（缓存）分三层放食材（常用调料放操作台上=L1，备用菜放冷藏柜=L2，库存放仓库=L3），而食堂只要有几个大冰柜（L2）就够用了——反正一次要炒几百份菜，直接从冰柜里整箱搬出来就行。

未来它们会"学"对方吗？

现在CPU和GPU也开始互相"取经"了。苹果M系列芯片搞了个"系统级缓存"，让CPU和GPU共用一个超大L3缓存，谁需要就给谁用；AMD则把缓存像叠高楼一样堆起来，让CPU也能用上超大缓存。说不定以后显卡也会学着加个L3缓存？

不过不管怎么变，只要我们既需要电脑"反应快如闪电"（比如玩游戏操作），又需要它"处理多如牛毛"（比如渲染视频），CPU和GPU的缓存设计就还得各走各的路。就像世界上既要有短跑冠军（快），也要有马拉松选手（耐力），还得有举重运动员（力量），各司其职才能让整个计算世界转起来。对此大家是怎么看的，欢迎关注我“创业者李孟”和我一起交流！

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