Pamięć podręczna poziomu 3 lub L3 to wyspecjalizowana pamięć, która współpracuje z pamięcią podręczną L1 i L2 w celu poprawy wydajności komputera. Pamięć podręczna L1, L2 i L3 to pamięci podręczne jednostki przetwarzania komputera (CPU), w przeciwieństwie do innych typów pamięci podręcznych w systemie, takich jak pamięć podręczna dysku twardego. Pamięć podręczna procesora zaspokaja potrzeby mikroprocesora, przewidując żądania danych, dzięki czemu instrukcje przetwarzania są dostarczane bez opóźnień. Pamięć podręczna procesora jest szybsza niż pamięć o dostępie swobodnym (RAM) i ma na celu zapobieganie wąskim gardłom wydajności.
Kiedy wysyłane jest żądanie do systemu, CPU wymaga instrukcji do wykonania tego żądania. Procesor działa wielokrotnie szybciej niż systemowa pamięć RAM, więc aby zmniejszyć opóźnienia, pamięć podręczna L1 ma gotowe bity danych, które według przewidywań będą potrzebne. Pamięć podręczna L1 jest bardzo mała, dzięki czemu działa bardzo szybko. Jeśli instrukcje nie są obecne w pamięci podręcznej L1, procesor sprawdza L2, nieco większą pulę pamięci podręcznej, z nieco dłuższym opóźnieniem. Z każdym brakiem pamięci podręcznej wygląda na wyższy poziom pamięci podręcznej. Pamięć podręczna L3 może być znacznie większa niż L1 i L2, i chociaż jest również wolniejsza, nadal jest znacznie szybsza niż pobieranie z pamięci RAM.
Zakładając, że potrzebne instrukcje znajdują się w pamięci podręcznej L3 (trafienie w pamięci podręcznej), bity danych mogą zostać usunięte z pamięci podręcznej L1 w celu przechowywania nowych instrukcji na wypadek, gdyby były potrzebne ponownie. Pamięć podręczna L3 może następnie usunąć ten wiersz instrukcji, ponieważ znajduje się on teraz w innej pamięci podręcznej (nazywanej wyłączną pamięcią podręczną) lub może zawiesić się na kopii (nazywanej pamięcią podręczną dołączaną), w zależności od konstrukcji procesora.
Na przykład w listopadzie 2008 AMD® wypuściło swój czterordzeniowy chip Shanghai. Każdy rdzeń ma własną pamięć podręczną L1 i L2, ale rdzenie mają wspólną pamięć podręczną L3. L3 przechowuje kopie żądanych elementów na wypadek, gdyby inny rdzeń złożył kolejne żądanie.
Architektura wielopoziomowej pamięci podręcznej wciąż ewoluuje. Pamięć podręczna L1 była kiedyś zewnętrzna w stosunku do procesora, wbudowana w płytę główną, ale teraz zarówno pamięci podręczne L1, jak i L2 są powszechnie wbudowane w kości procesora. Pamięć podręczna L3 jest zwykle wbudowana w płytę główną, ale niektóre modele procesorów zawierają już pamięć podręczną L3. Zaletą posiadania wbudowanej pamięci podręcznej jest to, że jest ona szybsza, wydajniejsza i tańsza niż umieszczenie oddzielnej pamięci podręcznej na płycie głównej.
Pobieranie instrukcji z pamięci podręcznej jest szybsze niż wywoływanie systemowej pamięci RAM, a dobry projekt pamięci podręcznej znacznie poprawia wydajność systemu. Projekt i strategia pamięci podręcznej będą się różnić na różnych płytach głównych i procesorach, ale wszystkie inne są takie same, więcej pamięci podręcznej jest lepsze.