L3 Cache（エルスリーキャッシュ）

L3 Cache（Level 3 キャッシュ）

概要

L3 Cache（Level 3 キャッシュ、3 次キャッシュ）は、CPU 内のメモリ階層において L1、L2 の次に位置する大容量キャッシュメモリです。通常は複数の CPU コアで共有され、メインメモリ（DRAM）へのアクセスを削減してシステム全体の性能を向上させます。現代の CPU において重要な役割を果たしています。

キャッシュ階層

CPU Core
  ├── L1（32-64 KB）: コア専用、最速
  ├── L2（256 KB-2 MB）: コア専用、高速
  └── L3（8-256 MB）: 共有、大容量
      └── メインメモリ（DRAM）

主要特性

容量

• エントリークラス: 4-8 MB
• ミドルレンジ: 16-32 MB
• ハイエンド: 64-128 MB
• サーバー: 128-768 MB
• X3D シリーズ: 96-128 MB 追加

レイテンシ

• L1: 3-4 サイクル
• L2: 10-15 サイクル
• L3: 30-50 サイクル
• DRAM: 200+ サイクル

バンド幅

• L1: 1-2 TB/s
• L2: 500 GB-1 TB/s
• L3: 200-500 GB/s
• DRAM: 50-100 GB/s

共有方式

統合共有型

• Intel Core 系: 全コアで共有
• AMD Zen: 各 CCD 内で共有

スライス型

• Intel Xeon: コアごとにスライス
• Ring Bus / Mesh: コア間接続

AMD 3D V-Cache

概要

• CCD の上に 3D 積層
• 64 MB 追加 L3
• TSMC SoIC

Ryzen X3D シリーズ

• Ryzen 7 5800X3D: 96 MB（32+64）
• Ryzen 7 7800X3D: 96 MB
• Ryzen 9 7950X3D: 128 MB
• Ryzen 7 9800X3D: 96 MB

メリット

• ゲーミング性能向上: 15-30%
• データ局所性良いワークロード
• シミュレーション

デメリット

• クロック低下
• 発熱
• 価格高

Intel の L3（Smart Cache）

Alder Lake 以降

• Core i9-14900K: 36 MB
• Core Ultra 9 285K: 36 MB
• P-Core + E-Core で共有

サーバー CPU

AMD EPYC

• Genoa: 最大 384 MB
• Turin: 最大 768 MB
• X シリーズ: 3D V-Cache でさらに増加

Intel Xeon

• Sapphire Rapids: 最大 112.5 MB
• Emerald Rapids: 最大 320 MB

キャッシュポリシー

Inclusive

• L3 に L1、L2 のコピー
• 古い Intel

Exclusive

• L1、L2、L3 が別データ
• 容量効率良
• AMD、現代 Intel

Non-Inclusive

• 中間
• フレキシブル

L3 の重要性

データ局所性

• 同じデータを何度も使う
• L3 ヒット = 高速

コア間通信

• 共有 L3 で中継
• キャッシュコヒーレンシ

メモリ遅延の隠蔽

• DRAM アクセスを減らす

ゲーミング性能

L3 量と FPS

• ゲームは L3 サイズに敏感
• 7800X3D: 多くのゲームで最速
• 理由: ワーキングセットが収まる

ベンチマーク例

• CS:GO: +20% FPS（96 MB vs 32 MB）
• Factorio: +30% UPS
• Cyberpunk 2077: +15%

クリエイティブ

• エンコード: L3 影響小
• 3D レンダリング: 限定的
• コンパイル: 中程度

プログラミング最適化

キャッシュフレンドリー

// 良い: 連続アクセス
for (int i = 0; i < n; i++)
    for (int j = 0; j < m; j++)
        a[i][j] = 0;

// 悪い: ランダムアクセス
for (int j = 0; j < m; j++)
    for (int i = 0; i < n; i++)
        a[i][j] = 0;

Cache Line Alignment

• 64 バイト単位
• False Sharing 回避

L2 Cache との違い

DRAM との関係

プリフェッチ

• L3 から DRAM を先読み
• Hardware Prefetcher

バンド幅

• L3 は DRAM の 5-10 倍

関連用語

• L1 Cache、L2 Cache
• Cache Coherency
• 3D V-Cache
• Ring Bus、Mesh
• Memory Hierarchy