Tase 3 või L3 vahemälu on spetsiaalne mälu, mis töötab käsikäes L1 ja L2 vahemäluga arvuti jõudluse parandamiseks. L1, L2 ja L3 vahemälu on arvutiprotsessori (CPU) vahemälu, mis võrdub süsteemi muud tüüpi vahemäludega, näiteks kõvaketta vahemäluga. CPU vahemälu rahuldab mikroprotsessori vajadusi, ennetades andmepäringuid, nii et töötlemisjuhised esitatakse viivitamatult. Protsessori vahemälu on kiirem kui muutmälu (RAM) ja on mõeldud jõudluse kitsaskohtade vältimiseks.
Kui süsteemilt esitatakse päring, vajab CPU selle päringu täitmiseks juhiseid. Protsessor töötab mitu korda kiiremini kui süsteemi RAM, nii et viivituste vähendamiseks on L1 vahemälus valmis andmeid, mida ta eeldab, et see on vajalik. L1 vahemälu on väga väike, mis võimaldab sellel olla väga kiire. Kui juhiseid L1 vahemälus pole, kontrollib protsessor L2, veidi suuremat vahemälu kogumit, veidi pikema latentsusega. Iga vahemälu vahelejäämise korral näib see vahemälu järgmisele tasemele. L3 vahemälu võib olla palju suurem kui L1 ja L2 ning kuigi see on ka aeglasem, on see siiski palju kiirem kui RAM-i laadimine.
Eeldades, et vajalikud juhised leitakse L3 vahemälust (vahemälu tabamus), võidakse teise järgu vahemälust välja tõsta andmebitid, et hoida uusi juhiseid juhuks, kui neid uuesti vaja läheb. L1 vahemälu saab seejärel selle juhiste rea eemaldada, kuna see asub nüüd teises vahemälus (seda nimetatakse eksklusiivseks vahemäluks) või võib see jääda koopia külge (mida nimetatakse kaasavaks vahemäluks), olenevalt CPU konstruktsioonist.
Näiteks 2008. aasta novembris andis AMD® välja oma neljatuumalise Shanghai kiibi. Igal tuumal on oma L1 ja L2 vahemälu, kuid tuumadel on ühine L3 vahemälu. L3 säilitab taotletud üksuste koopiad juhuks, kui mõni muu tuum esitab hilisema päringu.
Mitmetasandilise vahemälu arhitektuur areneb jätkuvalt. L1 vahemälu oli varem CPU-st väline, emaplaadile sisse ehitatud, kuid nüüd on nii L1 kui ka L2 vahemälu tavaliselt CPU stantsiga ühendatud. L3 vahemälu on tavaliselt emaplaadile sisse ehitatud, kuid mõnel CPU mudelil on juba L3 vahemälu. Sisseehitatud vahemälu eeliseks on see, et see on kiirem, tõhusam ja odavam kui emaplaadile eraldi vahemälu paigutamine.
Vahemälust juhiste toomine on kiirem kui süsteemi RAM-i kutsumine ja hea vahemälu disain parandab oluliselt süsteemi jõudlust. Vahemälu disain ja strateegia on erinevatel emaplaatidel ja protsessoritel erinevad, kuid kui kõik muu on võrdne, on rohkem vahemälu parem.