在讨论 RAM 时，你可能遇到过“Intel 齿轮模式”这一术语，但它们究竟是什么，又会对系统性能产生怎样的影响呢？
Intel 齿轮模式指的是 CPU 内部内存控制器的时钟速度与内存模块时钟速度之间的比率。本质上，它们决定了 CPU 的内存控制器与 RAM 之间的通信速度。这使得在实现更高内存速度以及与各种内存套件兼容方面具有更大的灵活性。
引入齿轮模式是因为随着 DDR4 内存速度的提升，CPU 内部的集成内存控制器（IMC）在维持高频下的稳定性和能效方面开始遇到困难，尤其是在超频时。为了解决这一问题，Intel 在 2021 年推出的第 11 代“Rocket Lake”处理器中引入了齿轮模式。这使得内存和 IMC 能够以不同的时钟速度运行，从而在支持更快 RAM 的同时保持系统的可靠性。
| 定义齿轮模式 | ||||
|---|---|---|---|---|
| 齿轮模 | 内存时钟： IMC 时钟比率 |
内存技术 | 内存频率范围 | 描述 |
| 齿轮 1 | 1:1 | DDR4 | 2133 – 3600MT/s | IMC 和 RAM 以相同频率运行 |
| 齿轮 2 | 2:1 | DDR4 & DDR5 | 3300 – 9000MT/s | IMC 以内存速度的一半运行 |
| 齿轮 4 | 4:1 | DDR5 | 9000MT/s + | IMC 以内存速度的四分之一运行 |
默认情况下，BIOS 会自动选择合适的齿轮模式，但用户如果需要也可以手动调整。需要注意的是，要实现超频以达到高速——例如在齿轮模式 1 下达到 3600MT/s 或在齿轮模式 2 下达到 9000MT/s——需要高质量的 CPU 和主板，以确保处理器和内存之间的信号稳定性。
齿轮模式的工作原理
Intel 齿轮模式将内存控制器（IMC）和系统内存的时钟速度分开，从而在更高的 RAM 频率下提供更大的灵活性和稳定性：
- 齿轮 1：IMC 和内存以相同频率运行
例如：DDR4-3200 (1600MHz) → IMC 以 1600MHz 运行 - 齿轮 2：IMC 以内存频率的一半运行
例如：DDR5-9000 (4500MHz) → IMC 以 2250MHz 运行 - 齿轮 4：IMC 以内存频率的四分之一运行
例如：DDR5-9600 (4800MHz) → IMC 以 1200MHz 运行
这种解耦降低了 IMC 的电气和热负载，使得在较低电压要求下能够支持更高的内存速度。然而，它也可能引入额外的内存延迟，这可能会根据工作负载影响整体系统性能。
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齿轮 1 内存频率： 3200MT/s (1600MHz) IMC 频率： 1600MHz |
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齿轮 2 (4500MHz) |
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齿轮 4 (4800MHz) |
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DDR（双倍数据速率）内存可在每个时钟周期的上升沿和下降沿都传输数据，因此其数据传输速率（以每秒百万次传输次数 MT/s 为单位）实际上是时钟频率（以兆赫兹 MHz 为单位）的两倍。
齿轮模式如何影响系统性能？
在讨论齿轮模式时，主要有两个关键因素需要考虑：- 内存带宽：这是指 CPU 能够读取或写入数据的最大速率。
- 内存带宽 = 内存频率 × 总线宽度
- 例如：在一台支持双通道的主板上安装了 2 条 DDR5-6400 内存模块
- 6400MT/s × 8 字节（64 位） = 每通道 51.2 GB/s
- 由于您有两条内存模块和两个内存通道，因此最大内存带宽为 51.2 GB/s × 2 = 102.4 GB/s
- 延迟：与内存相关的延迟是指 CPU 从 RAM 请求数据到该数据可供 CPU 使用之间的时间延迟。
| 齿轮模式 | 带宽 | 延迟 |
|---|---|---|
| 齿轮 1 | 最低 | 最低 |
| 齿轮 2 | 中等 | 中等 |
| 齿轮 4 | 最高 | 最高 |
当您切换到齿轮模式 2 或 4 时，IMC 会成为瓶颈，因为它只能以内存速度的一小部分来处理数据。这个瓶颈会导致更高的（更长的）延迟，所以在某些情况下，保持在较低的齿轮模式以获得更低的延迟可能会更好。对于第一人称射击游戏来说，每秒帧数更多和输入延迟更低是至关重要的，因此您会倾向于选择更低的延迟而非更高的带宽。如果您的工作负载更多地集中在 AI、视频编辑、3D 渲染或任何吞吐量比响应速度更重要的应用程序上，那么优先选择内存带宽而非延迟可能会更有益。
DDR5-8800 在齿轮模式 2 下与 DDR5-9600 在齿轮模式 4 下的对比
现在您已经对齿轮模式有了初步的了解，让我们来看看一些 AIDA64 基准测试结果，以比较在不同频率下运行的内存如何受到齿轮模式的影响。
基准系统
主板：ASUS ROG Maximus Z890 APEX (BIOS v1801)
处理器：Intel Core Ultra 7 265K
内存：48GB (2x24GB) DDR5-8800 CUDIMMs
与 48GB (2x24GB) DDR5-9600 CUDIMMs
在此次对比测试中，我们在两次测试中都使用了同一套 DDR5-8800 内存套件。为确保测试的一致性，我们在第二次基准测试中将其超频至 9600MT/s。这样，我们就能在保持 DRAM 本身不变的情况下，单独分析齿轮模式的影响。从测试结果可以看出，在大多数情况下，8800MT/s 套件的性能表现优于 9600MT/s 套件：
| AIDA64 内存基准测试 | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| 内存 | 齿轮模式 | 读取 | 写入 | 副本 | 延迟 |
| DDR5-8800 | 齿轮 2 | 127.15 GB/s | 102.14 GB/s | 112.47 GB/s | 74.6 ns |
| DDR5-9600 | 齿轮 4 | 126.71 GB/s | 101.79 GB/s | 117.85 GB/s | 86.7 ns |
尽管 DDR5-9600 配置的频率更高，但在大多数方面，其运行在齿轮模式 4 下的性能却不如运行在齿轮模式 2 下的 DDR5-8800 配置。原因如下：
- IMC 瓶颈：在齿轮模式 4 下，内存控制器的运行速度仅为内存速度的四分之一，这限制了其充分利用可用带宽的能力。
- 延迟影响：DDR5-8800 配置的延迟大约降低了 14%，这对于游戏等需要快速响应的应用程序来说至关重要。
- 带宽与效率：虽然 DDR5-9600 提供了略高的复制速度，但整体性能却因延迟增加和内存控制器瓶颈而受到阻碍。
简而言之，原始速度并非一切——更低的延迟和更好的内存控制器效率往往能带来更显著的性能提升，尤其是在对延迟敏感的任务中。
结论
随着内存技术的不断发展，Intel 的齿轮模式提供了一种平衡内存速度和系统稳定性的方法。通过将内存控制器与内存频率解耦，齿轮模式允许 CPU 在不影响可靠性的情况下支持更高的 RAM 速度。然而，这也会带来权衡——尤其是在延迟方面——这可能会根据工作负载显著影响实际性能。正如 DDR5-8800 与 DDR5-9600 的基准测试所示，由于延迟增加和内存控制器瓶颈，齿轮模式 4 下的更高内存速度并不总是能带来更好的性能。对于游戏玩家和对延迟敏感的用户来说，齿轮模式 1 或齿轮模式 2 下频率稍低的配置可能提供更好的响应速度。与此同时，处理带宽密集型应用程序的专业人士可能会从齿轮模式 2 或齿轮模式 4 下的更高速度内存中受益更多。了解齿轮模式如何影响性能，可以帮助您选择合适的内存配置，以充分发挥系统的潜力。
齿轮模式 2 下的 DDR5-8800 CL46
齿轮模式 4 下的 DDR5-8800 CL46
