AMD X3D 为什么牛？CPU 缓存的原理

在 CES2 026 上 , AMD 发布 了 最新 的 游戏 旗舰 处理器 9850 X3D 相较 于 英特尔 Ultra 9285K

平均 游戏 性能 领先 27% 其实 AMD 的 X3D 系列 CPU 在 游戏 表现 上 一直 都 非常 亮眼

比较 懂 的 同学 可能 知道 AMDX3D 系列 在 CPU 内部 集成 了 大容量 的 L3 缓存 之前 的 9950 X3D 足足 堆

了 128M 的 L3 缓存 CPU 从 内存 中 读取数据 是 比较慢 的 所以 可以 将 需要 的 数据 搬到 CPU

内部 的 缓存 里边 这样 就 能 减少 CPU 访问 内存 的 频率 片商 缓存 越大 访问 内存 的 次数 也 就 越少

所以 在 游戏 这种 需要 高频 次访问 内存 的 场景 提升 就 非常 巨大 那么 CPU 片商 缓存 的 原理 是

什么 呢 同样 作为 存储 信息 的 电路 它 和 我们 之前 说 过 的 内存 有 什么 区别 呢 今天 我们 就 一 起来 聊一聊片

上 缓存 的 原理 一战 三连 我们 开始 这是 一个 N 型 MOS 管 我们 在 山极 施加 高 电压 那么 它 就是

导通 的 状态 施加 低电压 它 就是 节止 的 状态 而 这 是 一个 P 型 MOS 管 我们 在 山极 施加 低电压 那么 它

就是 导通 状态 施加 高 电压 它 就是 节止 的 状态 我们 取 一个 PMOS 再取 一个 NMOS 把 它们 上下

桥接 起来 然后 将 它们 的 山极 连接起来 作为 一个 输入 然后 这里 再 引传 一条线 作为 输出 然后

上面 连接 电源 正极 下面 连接 电源 负极 此时 如果 我们 在 输入 端 施加 一个 高 电压 那么

上面 的 PMOS 就是 截止 状态 下面 的 NMOS 就是 导通 的 状态 此时 电路 的 输出 就是 直接 和 电源

负极 相连接 的 所以 这个 电路 最后 的 输出 就是 低电压 而 如果 我们 在 输入 端 施加 一个 低电压 那么

上面 的 PMOS 就是 导通 的 状态 下面 的 NMOS 就是 截止 状态 此时 电路 的 输出 就 直接 和 电源 正极

连接 这个 电路 最后 的 输出 就是 高 电压 这个 电路 输入 是 高 电压 的 时候 输出 就是 低电压 输入 是

低电压 的 时候 输出 就是 高 电压 它 可以 将 输入 的 信号 进行 反转 这个 电路 就 叫做 飞 门电路 一般 用 这个

符号 来 进行 表示 我们 用 这个 符号 的 时候 一般 只会 把 输入 和 输出 给 它 标出来 而 接入 电源 的 这 两根

供电 线则 会 省略 掉 这样 做能 方便 表示 但是 你 要 清楚 这 两个 电源线 是 存在 的 那么 如何 利用 飞门来

存储 数据 呢 假设 我们 现在 有 两个 人 这 两个 人 都 不 太 聪明 一句 八卦 两个 人 都 只能 记住 几秒钟

那么 如何 才能 让 这 两个 人 配合 长久 的 记住 一件 事情 呢 答案 就是 让 他们 两个 相互 提醒 第一个

人快 忘记 的 时候 就 把 这件 事情 告诉 第二个 人 第二个 人快 忘记 的 时候 就 再 把 这件 事情 告诉

第一个 人 如此 循环往复 他们 就 能 长久 的 记住 一件 事情 了 不过 这 期间 你 得 给 他们 提供 能量 他俩 要是

饿死 了 这件 事情 也 就 记不住 了 那么 放到 电路 里 也 是 一样 的 道理 我们 拿 两个 飞门 过来 让 第一个

飞门 的 输出 接到 第二个 飞门 的 输入 上 然后 第二个 飞门 的 输出 再接 回到 第一个 飞门 的 输入 上 如果

第一个 飞门 告诉 第二个 飞门 的 信息 是 高 电压 那么 第二个 飞门 在 接收 到 信息 之后 就 会 将 信息 进行

反转 高 电压 就 变成 了 低电压 然后 这个 低电压 会 返回 来 告诉 第一个 飞门 第一个 飞门 又 会 将 这个 低电压

反转 变成 高 电压 继续 传递 给 第二个 飞门 如此 循环往复 那么 这个 电路 就 记住 了 高 电压 这件 事情 而

如果 第一个 飞门 告诉 第二个 飞门 的 信息 是 低电压 那么 经过 第二个 飞门 的 反转 低电压 就 变成 了 高

电压 这个 高 电压 会 返回 回来 传达 给 第一个 飞门 第一个 飞门 又 会 将 这个 高 电压 反转 变成 低电压

那么 这个 电路 就 记住 了 低电压 这件 事情 同样 一个 电路 结构 通过 这样 的 自我 反馈 机制 就

可以 有 两种 状态 这种 电路 被 称之为 交叉 五合 电路 利用 这种 电路 我们 就 可以 来 存储 信息 了

当然 目前 这个 电路 有个 问题 那 就是 电路 里 的 状态 是 不 可控 的 通电 之后 这个 电路状态 是 1

还是 0 和 电路 的 各个 部分 的 现场 有关 和 器件 的 尺寸 误差 有关 甚至 和 上 一次 通电 之后 电荷 有没有

释放 干净 都 有 关系 并且 我们 也 没有 什么 办法 能够 改变 其 状态 为了 能 让 我们 可以 操控 这个

电路 有 一种 方案 是 在 电路 的 这 两个 位置 插入 两个 货门 这样 我们 就 能 多 出来 两根 导线

通过 这 两根 导线 我们 就 可以 操作 这个 电路 一个 货门 和 一个 飞门 可以 合并 成 一个 货飞门

然后 我们 改变 一下 方向 这 就是 我们 课本 上学 过 的 RS 锁 存器 使用 两个 RS 锁 存器 就 可以

做成 一个 地 触发器 地 触发器 就是 CPU 里边 寄存器 的 实现 方式 你 可以 看 我 之前 有关 寄存器 的 视频

那里 边 详细 讲解 的 寄存器 也 就是 地 触发器 的 原理 但是 我们 看 一下 地 触发器 的 电路图 它 需要 这么 多

晶体管 所以 寄存器 在 芯片 设计 的 时候 是 一种 比较 昂贵 的 部件 如果 用 寄存器 的 方案 来 设计 缓存 那么

成本 和 面积 将会 是 非常 惊人 的 所以 缓存 的 设计 必须 要 使用 一些 更具 性价比 的 设计方案 回到

这个 交叉 偶合 电路 里边 来 为了 能够 让 大家 更 清楚 这里 直接 把 MOS 管 全都 显示 了 出来 我们

假设 通电 之后 它 的 状态 是 这样 的 左边 是 高 电压 右边 是 低电压 当然 我们 说 过 这个 触始 状态 是 不可

操控 的 现在 在 这个 位置 引传 一根 导线 我们 尝试 用 这根 导线 去 控制 这 两个 飞门 的 状态 我们 将

这根 控制线 设置 成 低电压 来 看看 会 发生 什么 事情 首先 左半 部分 的 导线 上 原本 是 高 电压 这个 高 电压 的

来源 其实 就是 下面 这个 飞门 的 电源 正电荷 从 电源 的 正极 流出 顺着 导线 一直 流 到 上面 飞门 的

这 两个 山极 并且 在 两个 山极 上面 聚集 积累 的 电荷 就 会 让 PMOS 截至 NMOS 导通 现在 我们

接入 了 一根 控制线 并且 给 这根 控制线 施加 了 一个 低电压 那么 原来 的 这些 正电荷 就 会 沿着 这根

控制线 被 放走 这 两个 山脊 上 就 会 变成 低电压 这个 PMOS 就 会导通 这个 NMOS 就 会 截至 那么

此时 上面 的 这 两个 飞门 的 输出 就 会 变成 高 电压 这个 高 电压 会 传递 到 下面 飞门 的 两个 山脊 上面 去 于是

PMOS 截止 NMOS 导通 这个 飞门 的 输出 就 变成 了 低电压 那么 此时 电路 就 稳定下来 了 并且 电路 的 状态 也

发生 了 改变 原来 左边 是 高 电压 右边 是 低电压 现在 左边 是 低电压 右边 是 高 电压 那么 通过 这根 导线

我们 就 能 修改 这个 存储 电路 所 存储 的 数据 了 想 把 值 改回来 也 很 容易 给 这个 控制线 施加 高 电压 就

可以 了 我们 一般 会 在 这根 控制线 上 增加 一个 NMOS 如果 我们 给 这个 NMOS 的 山极 施加 高 电压 那么

NMOS 就是 导通 的 状态 此时 这根 控制线 就 可以 连接 到 存储 电路 里边 而 如果 我们 给 这个 NMOS

的 山极 施加 低电压 那么 NMOS 就是 截止 的 状态 此时 控制线 和 存储 电路 就 会 隔绝 开来 这样 一个

电路 只能 存放 0 或者 1 两种 状态 也 就是 Ebit 的 数据 所以 通常 我们 会 把 这个 结构 复制 出来

多份 排成一列 然后 把 他们 的 控制线 都 连接起来 这 条 连接 所有 储存 单元 的 线 就 叫做 位线 BitLi

这么 多个 存储单元 是 共用 一个 位线 的 如果 我们 想要 修改 某 一个 存储单元 里面 的 数据 就 先 把 要 写入

的 电压 信号 施加 到 这条 位线 上面 然后 将要 修改 的 存储单元 门口 的 NMOS 导通 , 其他 单元 保持

截止 , 这样 位线 上 的 电压 信号 就 会 写入 到 这个 单元 里边 来 这 就是 写 操作 了 除了 写 操作 之外 , 我们 还

需要 读 操作 , 那么 我们 应该 怎么样 读取数据 呢 ?

这 还 不 简单 把 位线 上 的 电荷 清空 , 想要 读 哪个 单元 就 把 这个 单元 看门 的 NMOS 给 它 接通 , 那么

存储单元 中 的 电压 信号 就 会 传递 到位 线 上面 , 我们 直接 测量 位线 上 的 电压 就 可以 了 。

这样 做 确实 是 可以 的 但是 会 存在 一些 问题 大家 看 这根 位线 你 看 这根 位线 它 有习 有 畅 这样 细长 的 一根 线

在 实际 制造 的 时候 是 不能 单纯 的 将 其 看成 一根 导线 的 我们 也 必须 将 其 看成 一个 电容 存储单元 中 的

信号 向 这根 位线 传递 的 过程 其实 也 就是 给 这个 电容 充电 的 过程 位线 越长 那么 这个 充电 的

时间 也 就 越久 也 就 意味着 读取 的 速度 越慢 而 我们 知道 对于 集成 在 CPU 里面 的 缓存 来说 读写

性能 必须 足够 高才 不会 拖累 CPU 的 运行 速度 那么 有没有 什么 别的 读取 方式 能够

极大 提高 读取 速度 呢 我们 在 存储单元 的 另一侧 也 连接 一条 一模一样 的 位线 这样 一个 存储单元 就 有

左右 两根 位线 我们 刚才 说 了 长长的 位线 就 相当于 两个 电容 那么 第一步 就是 对 这 两个 电容

进行 充电 我们 将 这 两条 位线 连接 到 电源 上面 电源 就 会 给 这 两条 位线 充电 我们 需要 将 位线 上

的 电压 充到 和 存储单元 里 的 电源 电压 相同 的 高度 例如 存储 电路 中 的 电源 电压 是 1 伏特 那么 我们 也

需要 将 位线 的 电压 充到 1 伏特 充满 之后 就 断开 电源 注意 这里 一定 要 断开 充电 电源 断开

之后 位线 上 的 电荷 就 等于 被 锁住 了 这些 电荷 轻易 出不来 外面 的 电荷 也 轻易 进不来 接下来 假如 我们

想要 读取 这 一个 存储单元 里 的 数据 我们 就 把 看门 的 这 两个 NMOS 给 它 打开 我们 先 看看 右半

部分 的 电路 会 发生 什么 事情 我们 先 把 视线 移 到 右边 这个 看门 的 NMOS 上 我们 在 使用 MOS 管 的

时候 大部分 都 是 把 它 当成 一个 开关 来 看待 的 导通 的 时候 它 就 像是 一段 导线 但是 实际上 MOS

管在 通电 的 时候 也 是 存在 电阻 的 并且 在 实际 使用 的 时候 我们 会 故意 将 这个 MOS 管 的 导通 电阻 给

它 做 大 那么 外面 卫线 上 的 电荷 就 会 被 这个 电阻 阻碍 , 实际 进来 的 电压 就 会 小 很多 而 在 存储 电路 的

内部 , 目前 这个 接电源 负极 的 NMOS 是 导通 的 状态 由 外面 卫线 进来 的 电荷 便会 顺着 这里 流 到 电源

负极 这里 其实 有 一个 关键点 我们 说 MOS 管导通 的 时候 是 有 一个 导通 电阻 的 那么 同样 ,

这个 连接 在 电源 负极 的 NMOS 也 会 有 一个 电阻 所以 在 实际 设计 的 时候 我们 要 让 外面 这个 看门 的

NMOS 的 电阻 足够 大 里边 接电源 负极 的 这个 NMOS 的 电阻 足够 小 这样 由于 电阻 的 分压 作用 两个

电阻 的 比值 越大 中间 导线 上 的 电压 也 就 越 小 中间 的 导线 还 连接 着 下面 这个 飞门 的 两个 山极

我们 必须 将 这 两个 山极 上 的 电压 控制 的 足够 小 才能 保证 不会 改变 这 两个 MOS 管 的 状态 而 最后

外面 卫线 上 积累 的 电荷 就 会 被 放电 放走 一些 我们 刚才 也 说 了 给 卫线 充电 之后 充电 电源 就

会 断开 所以 电荷 被 放走 一部分 之后 并 不会 有 新 的 电荷 补充 进来 这条 卫线 上 的 电压 就 会 降低

一些 当然 也 不会 降低 太 多 一般 也 就 降低 50 到 100 毫 v 左右 好 我们 记住 右边 的 状态 再 来 看看

左边 的 状态 左边 导线 上 的 电压 是 高 电压 和 位线 上 的 电压 是 直平 的 所以 这边 不会 有 明显 的 放电 动作

但是 因为 电路 的 扰动 位线 上 的 电荷 仍然 会 被 放走 一点点 位线 上 的 电压 也 会 降低 大概 20 毫 V 左右

这样 左边 位 线电压 降低 了 20 毫 V 右边 位 线电压 降低 了 50 - 100 毫 V 这样 两根 位线 就 会 产生

一个 电压 差 我们 在 卫线 末端 检测 这个 电压 差 就 能 读取 到 存储 的 数据 是 什么 左边 比 右边 高存 的

就是 数据 1 右边 比 左边 高存 的 就是 数据 0 两根 卫线 上 电压 的 波动 其实 都 很小 所以 读取 的 速度 就

很快 而 至于 给 卫线 充电 的 过程 则 有 很多 手段 可以 提高 速度 比如 可以 用 短暂 的 高 电压 进行 充电 将

单根 长卫线 拆 分成 多级 从而 降低 每 一级 的 电容 值 还 可以 利用 电路 空闲 的 时候 进行 预充电 比如

读完 一次 数据 之后 , 电路 往往 还要 对 数据 进行 处理 , 此时 的 位线 就 空闲 了 下来 , 利用 这个

时间 就 可以 对 位线 进行 充电 , 下次 就 可以 直接 读取 。

而 将 电路 改成 这样 两根 位线 之后 , 写 数据 的 时候 也 可以 将 这 两根 位线 一根 设成 高 电压 ,

另 一根 设 成 低电压 。 这样

。 这样 两面 的 电压 信号 会 同时 发力 将 电路状态 改变 相较 于 使用 一条 位线 两条 位线 驱动 能力 会

更 强 写入 速度 也 会 更 快 而 在 写 数据 的 时候 我们 其实 希望 这 两个 看门 的 NMOS 的 导通 电阻

可以 越低 越 好 这 和 读数据 的 时候 是 相反 的 而 此时 我们 可以 将 这个 NMOS 山级 上 的 电压 升高

一点 这样 导通 电阻 就 会 变小 我们 现在 只有 一列 存储单元 我们 还 可以 多加 几列 这样 就 可以

形成 一个 阵列 我们 将 每 一 横行 的 CAME RNMOS 的 山脊 都 给 它 连接起来 连接起来 的 这些 线 就是 字线

Word line 我们 想要 操作 某 一行 存储单元 就 把 这 一行 的 字线 设置 成高 电压 这样 一 整行 的 存储单元

就 会 和 它们 相应 的 位线 连通 起来 我们 视频 里 的 这个 电路图 的 画法 可能 不太 主流 我们 可以 将

这 几个 晶体管 的 位置 变 一下 电路 就 变成 了 这个 样子 如果 你 是 计算机专业 的 , 那么 你 大概 在 计算机 组成

原理 的 课本上 见过 这个 电路图 。 这个

。 这个 就是 课本上 介绍 过 的 静态 随机 存储器 。 这个

。 这个 电路 由 6 个 晶体管 组成 , 所以 也 叫做 6T 锁 存器 。

在 芯片 制造 中 这个 结构 通常 被 用来 当作 CPU 片上 缓存 电路 。

不过 , 虽然 这种 只 需要 6 个 晶体管 的 结构 相对 于 地 触发器 那种 实际 20 个 晶体管 的 方案 要 实惠

很多 , 但是 其 占地面积 仍然 是 非常 巨大 的 。 上面

。 上面 这种 一大块 一大块 像 地毯 一样 的 重复 结构 基本上 都 是 缓存 有 的 处理器 里边 L2 和 L3

缓存 面积 能 占 到 总面积 的 一半 以上 而 AMD X3D 系列 的 CPU 则 是 让 处理器 做成 了 对 叠 设计

一层 放 处理单元 一层 放 缓存 这样 就 可以 把 缓存 容量 大大提高 名称 里 的 3D 就是指 的 3D 对叠 工艺 好 了 这

就是 本期 视频 的 全部内容 了 静态 随机 存储器 一般 会 被 归类 到 数字电路 的 范畴 里边 但是 通过 本期

视频 大家 也 能 看 出来 大部分 知识 其实 都 是 模拟 电路 的 内容 这 就让 静态 随机 存储器 的 原理 比较

难懂 尤其 是 课本上 的 想法 喜欢 一 上来 就 给 你 扔 一个 完整 的 电路 一下子 就 会 让 很多 人梦掉 所以 我 就 选择

了 一种 循序渐进 的 讲法 希望 对 你 有所 帮助 截止 到 本期 视频 我 的 频道 已经 将 所有 计算机 中 主流 存储技术 都 讲

了 一遍 在 CPU 内部 有 寄存器 和 缓存 , 寄存器 和 缓存 都 是 使用 两个 飞门 构成 双文 台 电路 来

实现 存储 功能 的 。

寄存器 可以 看 我 这 两期 视频 , 一期 讲锁 存器 , 另外 一期 使用 锁 存器 搭建 D 触发器 缓存 就是

本期 视频 了 。 在

。 在 CPU 之外 还有 内存 , 内存 是 使用 电容 来 存储 数据 的 可以 看 我 这期 视频 。

寄存器 、 缓存 、 内存 都 是 一丝 性 存储设备 。 只能

。 只能 在 通电 的 时候 使用 一旦 断电 上面 的 数据 就 都 没有 了 想要 断电 也 能 存储 数据 你 就 需要 使用 硬盘

目前 常见 的 硬盘 有 机械 硬盘 和 固态 硬盘 两种 固态 硬盘 是 使用 浮山 晶体管 来 存储 数据 的 可以 看

我 这期 视频 机械 硬盘 是 通过 盘片 上 的 磁性 区域 来 存储 数据 的 可以 看 我 这期 视频 当然 有关 存储 的

话题 还远 没有 结束 今后 我 也 会 更新 更 多 有关 存储 的 视频 那么 接下来 就是 本期 视频 的 挖坑

时间 我们 课本上 学到 包括 我们 今天 视频 里 出现 的 这些 电路 其实 都 是 逻辑 上 的 电路图 那么

电路 实际 制造 出来 之后 又 是 什么 样子 的 呢 这些 飞门雨门 货门 最后 用 光刻机 刻 出来 之后 是 什么 样子 的

呢 关注 我 下期 视频 我们 就 一起 从 微观 视角 来 看看 这些 电路