對(duì)AMD而言，近兩年算是喜憂參半的兩年。

洗心革面的英特爾，帶來了重整旗鼓后的第十二代酷睿處理器。全新的高性能混合架構(gòu)，將性能內(nèi)核和效率內(nèi)核相互結(jié)合，讓處理器性能、生產(chǎn)力和創(chuàng)作力較之以往實(shí)現(xiàn)了飛躍，將AMD的常規(guī)處理器產(chǎn)品壓得喘不過氣。

【資料圖】

但另一方面，得益于大型游戲?qū)θ?jí)緩存的充分利用，AMD 3D V-Cache堆疊緩存近兩年大放異彩。最新發(fā)布的R7 7800X3D更是憑借相對(duì)領(lǐng)先的性能、更低的理論功耗和更高的性價(jià)比大殺四方，和i9-13900打得難分高下。

作為PC行業(yè)的霸主，英特爾顯然不會(huì)任由AMD這樣占有技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

4月24日訊，英特爾2020年12月的專利顯示，該公司下一代CPU架構(gòu)又稱「Meteor Lake架構(gòu)」將具有封裝緩存功能，預(yù)計(jì)L4緩存將成為基礎(chǔ)區(qū)塊的一部分，可以被下一代CPU的任何構(gòu)建塊訪問。該消息在近期發(fā)布的Linux Patch補(bǔ)丁中得以證實(shí)，相關(guān)產(chǎn)品最快會(huì)在今年下半年正式發(fā)布。

如果說，AMD是在片上緩存設(shè)計(jì)的當(dāng)下做功夫，那么英特爾盯上的可能是片上緩存設(shè)計(jì)的未來。

緩存的發(fā)展史

首先，緩存是什么？

在CPU行業(yè)中，緩存即Cache Memory，指的是可以和CPU/集成GPU進(jìn)行高速數(shù)據(jù)交換的存儲(chǔ)器。

當(dāng)然這種概念，在早年P(guān)C行業(yè)是不存在的。維基百科顯示，早年間（指1980年前）的CPU普遍采用馮·諾依曼架構(gòu)。這是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，內(nèi)存、CPU 和I/O都根據(jù)一個(gè)主時(shí)鐘以鎖步方式發(fā)生，CPU直接從主存儲(chǔ)器中讀取數(shù)據(jù)，借此解決了當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)容量太小，運(yùn)算速度過慢的問題。

（圖源：程序員大本營(yíng)，馮·諾依曼架構(gòu)）

然而，隨著時(shí)間推移，CPU和內(nèi)存的發(fā)展速度出現(xiàn)了嚴(yán)重不對(duì)等的情況。

為了解決CPU速率和主存訪問速率差距過大的問題，IBM的Maurice Wilkes在1965年提出了緩存的概念，即在兩者之間插入一塊速度比內(nèi)存更快的高速緩存。只要將近期 CPU 要用的信息調(diào)入緩存，CPU 便可以直接從緩存中獲取信息，從而提高訪問速度。

至于落實(shí)到消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)上，則需要再往后推移。

1989年，英特爾發(fā)布了Intel i486處理器，這顆CPU創(chuàng)新性地集成了浮點(diǎn)運(yùn)算處理器和多重管線，而且在X86系列中首次使用了 RISC（精簡(jiǎn)指令集）技術(shù)，可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行一條指令，最重要的是，它還擁有8KB的L1 Cache，使整個(gè)芯片的性能得到大幅度提升。

盡管在后續(xù)數(shù)十年時(shí)間里，緩存的具體概念歷經(jīng)了幾次變化，但整體架構(gòu)在1990年代后期便趨于穩(wěn)定。

目前市面上常見的CPU Cache通常分為三級(jí)緩存：L1 Cache、L2 Cache、L3 Cache，級(jí)別越低的離CPU核心越近，訪問速度也快，但是存儲(chǔ)容量相對(duì)就會(huì)越小。其中，在多核心的CPU里，每個(gè)核心都有各自的L1/L2Cache，而L3 Cache是所有核心共享使用的。

然后出現(xiàn)的，便是我們今天要講的四級(jí)緩存（L4 Cache)。

改良，加以再現(xiàn)

不過四級(jí)緩存這個(gè)概念，并非第一次出現(xiàn)在市面上。

為了滿足多個(gè)處理器之間的協(xié)同需求，進(jìn)入2010年代后，IBM開始嘗試性地在System z11大型機(jī)的NUMA互連芯片組中添加了L4緩存。

最有趣的是，他們?cè)诮鼉赡旮哒{(diào)宣布取消L3/L4物理緩存，將所有緩存都用eDRAM來實(shí)現(xiàn)——由此實(shí)現(xiàn)了至高32MB的L2緩存 ，256MB的共享L3緩存以及8GB共享L4緩存。

英特爾這邊，則是在四代酷睿Haswell架構(gòu)處理器上搭載了eDRAM，作為CPU和iGPU的L4四級(jí)緩存。

舉個(gè)例子，當(dāng)時(shí)的頂級(jí)移動(dòng)端CPU——i7-4950QH，便在常規(guī)的三級(jí)緩存以外，額外搭載了一塊針對(duì)iris Pro系列核顯的128MB緩存芯片，英特爾希望以此來緩解核顯對(duì)于內(nèi)存本身的占用，和AMD APU搭載的A系列核顯抗衡的同時(shí)，提升CPU的運(yùn)行效率。

遺憾的是，因?yàn)楫?dāng)時(shí)設(shè)計(jì)不成熟的原因，英特爾配備的這塊四級(jí)緩存幾乎沒有用武之地，除了核顯在運(yùn)行游戲時(shí)會(huì)產(chǎn)生比較積極的調(diào)度，以及提升挖礦能力以外，在CPU運(yùn)行軟件的時(shí)候，大部分情況下，各種應(yīng)用程序還是會(huì)主動(dòng)調(diào)用三級(jí)緩存，在性能上并沒有什么優(yōu)勢(shì)。

（圖源：快科技，i7-4750QH實(shí)測(cè)）

正因如此，這項(xiàng)配置延續(xù)到Coffee Lake 9代酷睿便沒了下文。

在吸取教訓(xùn)后，如今英特爾已經(jīng)準(zhǔn)備好代號(hào)為Adamantine L4的高速緩存，希望從另外一個(gè)角度推動(dòng)四級(jí)緩存的普及。

根據(jù)外媒VideoCardz發(fā)現(xiàn)的專利表明，英特爾的Adamantine緩存將提供比任何典型緩存（如L3緩存等）更快的訪問速度，不僅可以改善CPU和內(nèi)存之間的傳輸效率，還可以改善CPU和安全控制器之間的通信，甚至在重置時(shí)保留緩存中的數(shù)據(jù)以縮短加載時(shí)間。

不僅如此，因?yàn)閑DRAM的特性，Adamantine緩存不必再拘泥于現(xiàn)有的容量限制，英特爾Meteor Lake的Adamantine緩存甚至可以擴(kuò)展到“GB”級(jí)別。即便是目前測(cè)試的大小：128MB到512MB，也已經(jīng)是傳統(tǒng)三緩的數(shù)倍，甚至可以和AMD 3D V-Cache同臺(tái)較量。

而這，正是英特爾目前想要實(shí)現(xiàn)的效果。

新緩存，新革命

也就是說，四級(jí)緩存的時(shí)代要來了？

在我看來，即便英特爾方面野心勃勃，但是想要革新目前的PC緩存機(jī)制并沒有那么簡(jiǎn)單。

首先，應(yīng)用的適配程度始終是個(gè)問題。即便是目前大熱的AMD 3D V-Cache堆疊緩存，也僅有在部分非常吃緩存容量的大型3A游戲/MMO網(wǎng)絡(luò)游戲上面，才能體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)，在高分辨率的情況下，甚至可能出現(xiàn)游戲性能被主頻和核心數(shù)更多的英特爾處理器超越的情況。

其次，則在于產(chǎn)品的成本問題。即便Adamantine緩存真的像英特爾所述，速度更快、延遲更低，但它必然需要更大的面積和更復(fù)雜的設(shè)計(jì)，也會(huì)增加處理器的功耗和發(fā)熱，從而影響散熱和電池續(xù)航（參考AMD 3D V-Cache過熱），最終導(dǎo)致硬件成本的成倍增加。

不管怎么說，對(duì)普通用戶而言，一款產(chǎn)品是否值得購買，是要從性能、功能、價(jià)格等各個(gè)方面來決策選擇的。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，未來必然會(huì)出現(xiàn)更多層次的緩存設(shè)計(jì)，即便因?yàn)閮r(jià)格問題無法快速普及，像Adamantine緩存這種在工程上付出了較大努力的產(chǎn)品，還是值得相當(dāng)程度的肯定的。

英特爾能否再度引領(lǐng)緩存技術(shù)的未來？或許只有時(shí)間能給我們答案。

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