您可能在 RAM 相關討論中聽過「Intel 齒輪模式」這個詞，但這到底是什麼？對系統效能的影響為何？
Intel 齒輪模式是指 CPU 內部的記憶體控制器（memory controller）與記憶體模組之間的時脈速度比率。基本上，它決定了 CPU 的記憶體控制器與 RAM 之間的通訊速度。在提升記憶體速度以及不同記憶體套件的相容性方面，這項設計讓使用者擁有更高的彈性。
齒輪模式的出現是因為在 DDR4 記憶體速度持續提升時，CPU 內建的整合式記憶體控制器 (IMC) 在較高頻率下（特別在超頻時），開始難以維持穩定性與電力效率。為解決這個問題，Intel 在 2021 年推出第 11 代「Rocket Lake」處理器時，引進了齒輪模式。這項設計可讓記憶體與 IMC 以不同的時脈速度運作，進而支援更快速的 RAM，同時維持系統穩定性。
| 定義齒輪模式 | ||||
|---|---|---|---|---|
| 齒輪模式 | 記憶體時脈： IMC 時脈比率 |
記憶體技術 | 記憶體頻率範圍 | 說明 |
| 齒輪 1 | 1:1 | DDR4 | 2133 – 3600MT/s | IMC 與 RAM 以相同頻率運作 |
| 齒輪 2 | 2:1 | DDR4 和 DDR5 | 3300 – 9000MT/s | IMC 以一半的記憶體速度運作 |
| 齒輪 4 | 4:1 | DDR5 | 9000MT/s + | IMC 以四分之一的記憶體速度運作 |
預設情況下，BIOS 會自動選取適當的齒輪模式，但使用者也可以視需要手動調整。值得注意的是，若要透過超頻達到高速表現（例如齒輪 1 模式下的 3600MT/s 或齒輪 2 模式下的 9000MT/s），就需要高品質的 CPU 和主機板，以確保處理器與記憶體之間的訊號穩定性。
齒輪模式的運作方式
Intel 齒輪模式會將記憶體控制器 (IMC) 與系統記憶體的時脈速度分離，讓較高 RAM 頻率的運作更加靈活穩定：
- 齒輪 1：IMC 與記憶體以相同頻率運作
例如：DDR4-3200 (1600MHz) → IMC 以 1600MHz 執行 - 齒輪 2：IMC 以一半的記憶體頻率運作
例如：DDR5-9000 (4500MHz) → IMC 以 2250MHz 執行 - 齒輪 4：IMC 以四分之一的頻率運作
例如：DDR5-9600 (4800MHz) → IMC 以 1200MHz 執行
這種分離可減少 IMC 的電氣與熱負荷，使其在較低電壓需求下還是能夠支援更高速的記憶體。但是，它也可能帶來額外的記憶體延遲，並且根據工作負載不同，可能對整體系統效能產生影響。
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齒輪 1 記憶體頻率：3200MT/s (1600MHz) IMC 頻率：1600MHz |
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齒輪 2 (4500MHz) |
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齒輪 4 (4800MHz) |
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DDR (Double Data Rate) memory transfers data on both the rising and falling edges of each clock cycle, the data transfer rate in MT/s (Megatransfers per second) is effectively twice the clock rate in MHz (Megahertz).
齒輪對系統效能的影響為何？
談到齒輪模式時，會涉及兩個主要因素：- 記憶體頻寬：CPU 可讀取或寫入資料的最高速率。
- 記憶體頻寬 = 記憶體頻率 x 匯流排寬度
- 例如：2 條 DDR5-6400 模組安裝在雙通道主機板上
- 6400MT/s x 8 位元組（64 位元）= 每個通道 51.2 GB/s
- 由於您安裝了兩條模組與兩個記憶體通道，請將 51.2 GB/s x 2 = 最大記憶體頻寬 102.4 GB/s
- 延遲：就記憶體而言，延遲是指 CPU 從 RAM 要求資料且可供 CPU 使用期間的延遲狀況。
| 齒輪模式 | 頻寬 | 延遲 |
|---|---|---|
| 齒輪 1 | 最低 | 最低 |
| 齒輪 2 | 中 | 中 |
| 齒輪 4 | 最高 | 最高 |
當您切換到齒輪 2 或齒輪 4 模式時，只能以部分記憶體速度處理資料的 IMC 就會變成瓶頸。這種瓶頸會導致延遲增加（時間變長），因此在某些情況下，維持在較低的齒輪模式且延遲狀況較低比較好。對於第一人稱射擊遊戲來說，每秒影格數越高、輸入延遲越低越好，所以您會想優先選擇低延遲而不是高頻寬。但如果您的工作負載更著重於 AI 技術、影片剪輯、3D 渲染，或任何以資料傳輸量為主的應用程式，優先提升記憶體頻寬可能會帶來更好的效能表現。
齒輪 2 中的 DDR5-8800 與齒輪 4 中的 DDR5-9600 的對比
既然您已經快速了解齒輪模式的基礎，讓我們來看看幾組 AIDA64 基準測試，比較記憶體在兩種不同頻率下受到齒輪模式模式影響的情況。
基準測試系統
主機板：ASUS ROG Maximus Z890 APEX (BIOS v1801)
處理器：Intel Core Ultra 7 265K
記憶體：48GB (2x24GB) DDR5-8800 CUDIMM
與 48GB (2x24GB) DDR5-9600 CUDIMM 的對比
這次比較中，我們為兩次測試使用相同的 DDR5-8800 記憶體套件。為保持一致性，我們在第二次測試中將其超頻至 9600MT/s。這樣可在在保持 DRAM 不變的情況下，單獨測試齒輪模式的影響。從測試結果可看出，在多數情況下，8800MT/s 的效能反而優於 9600MT/s。
| AIDA64 記憶體基準測試 | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| 記憶體 | 齒輪模式 | 讀取 | 寫入 | 複製 | 延遲 |
| DDR5-8800 | Gear 2 | 127.15 GB/s | 102.14 GB/s | 112.47 GB/s | 74.6 ns |
| DDR5-9600 | Gear 4 | 126.71 GB/s | 101.79 GB/s | 117.85 GB/s | 86.7 ns |
雖然頻率較高，但在齒輪 4 模式下執行的 DDR5-9600 組態，在大多數領域中的表現仍不如齒輪 2 中的 DDR5-8800 設定。原因如下：
- IMC 瓶頸：在齒輪 4 模式中，記憶體控制器僅以四分之一的記憶體速度運作，限制了其充分利用可用頻寬的能力。
- 延遲影響：DDR5-8800 設定的延遲狀況大約低了 14%，這對遊戲等需要快速回應的應用來說相當重要。
- 頻寬與效率的對比：雖然 DDR5-9600 的複製速度略高一些，但整體效能受到延遲增加和 IMC 瓶頸的影響而受限。
簡單來說，原始速度不是一切：較低延遲與更高的 IMC 效率，往往會在實際應用中帶來更明顯的效能提升，特別是在對延遲較敏感的任務中。
結論
隨著記憶體技術持續演進，Intel 的齒輪模式提供了在記憶體速度與系統穩定性之間取得平衡的方式。透過將記憶體控制器與記憶體頻率分離，齒輪模式可讓 CPU 支援更高的 RAM 速度，且不會對穩定性造成影響。不過，這樣的設計需要有所取捨（特別是延遲問題），根據工作負載的不同，可能對實際效能產生明顯影響。正如 DDR5-8800 與 DDR5-9600 基準測試所示，在齒輪 4 模式下，即使記憶體速度更高，但由於延遲增加與 IMC 瓶頸的緣故，效能不一定有所提升。對於遊戲玩家以及對延遲敏感的使用者來說，選擇齒輪 1 或齒輪 2 且頻率稍低的組合，可能呈現更佳的反應速度表現。另一方面，從事大量頻寬專業應用的專業人士，使用齒輪 2 或齒輪 4 搭配高速記憶體可能更有效益。了解齒輪模式如何影響效能，有助您選擇最正確的記憶體組態，以充分發揮系統潛能。
齒輪 2 中的 DDR5-8800 CL46
齒輪 4 中的 DDR5-8800 CL46
