智能鉆石俠需多大緩存？緩存前世今生
泡泡網(wǎng)CPU頻道8月4日 由于超頻的平民化，目前不少網(wǎng)友在選擇處理器時(shí)已經(jīng)不再像以前那樣看中處理器的默認(rèn)主頻了，“反正可以超上去的嘛”，而且由于睿頻智能加速和Turbo Core技術(shù)的逐漸成熟，CPU的主頻不再是一成不變的了。
CPU究竟需要多大緩存？
對(duì)處理器性能影響較大的另外一個(gè)因素是處理器的架構(gòu)。由于處理器的架構(gòu)更新較多的依賴技術(shù)進(jìn)步，并且處理器的架構(gòu)更新意味著產(chǎn)品線的變更、生產(chǎn)線的變動(dòng)，這些都增加了處理器廠商的成本，而且企業(yè)不像某些組織可以宣稱自己不是以營利為目的的，廠商也要追求上代產(chǎn)品的利潤最大化，因此即便是處理器架構(gòu)更新較頻繁的Intel也只是隔一年推出一個(gè)新架構(gòu)，所以近期對(duì)處理器來說，一個(gè)關(guān)注的焦點(diǎn)開始落到了緩存容量上。
大緩存對(duì)于大會(huì)戰(zhàn)作用很大
在對(duì)近期上市的《星際爭霸Ⅱ》的相關(guān)測試中，我們可以看到，具有大容量緩存的CPU在面對(duì)大規(guī)模的會(huì)戰(zhàn)的時(shí)候，更能保證游戲的流暢性，那么究竟CPU的緩存經(jīng)過了怎樣的發(fā)展變化呢？下面我們就一起回顧一下。
CPU緩存（Cache Memory）是位于CPU與內(nèi)存之間的規(guī)模較小的但速度很高的臨時(shí)存儲(chǔ)器，它通常由SRAM（靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器）組成。用來存放那些被CPU頻繁使用的數(shù)據(jù)，以便使CPU不必依賴于速度較慢的DRAM（動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器）。不過限于它的昂貴成本，一般容量比內(nèi)存要小。
SRAM結(jié)構(gòu)簡圖
緩存的設(shè)計(jì)思路是用少量的速度較快的SRAM作為CPU與DRAM存儲(chǔ)系統(tǒng)之間的緩沖區(qū)，起初是在芯片的外部，到了80486時(shí)期，這部分SRAM被集成到了芯片內(nèi)，因此又叫片內(nèi)Cache。
DRAM結(jié)構(gòu)簡圖
片內(nèi)Cache即是今天的一級(jí)緩存，這部分緩存的容量是很少的，486芯片內(nèi)只有8KB，到了奔騰高檔芯片就升級(jí)到了16KB，Power PC可達(dá)32KB。后來Pentium微處理器改進(jìn)片內(nèi)Cache，采用數(shù)據(jù)和雙通道Cache技術(shù)非常靈活、方便，極大地提高了微處理器的性能。
可以說現(xiàn)在處理器廠商對(duì)產(chǎn)品的檔次劃分有著深入的研究，不只是可以按主頻的高低劃分，還可以按照緩存量的不同而區(qū)分開來，而且即使兩款處理器的其他參數(shù)完全一致，只緩存量略有出入，那么這兩款處理器的售價(jià)可以相差很多。
CPU的緩存量不同價(jià)格相差很大
緩存的容量目前一般都以MB計(jì)量，不同的處理器型號(hào)緩存量差別不小，有的擁有1MB二級(jí)緩存，而有些則可以高達(dá)12MB，而售價(jià)卻差了好幾倍，最高可以差十幾倍，那么緩存對(duì)處理器的售價(jià)影響可見一斑，同時(shí)也說明緩存對(duì)處理器的性能影響很大。
緩存存儲(chǔ)著CPU需要的數(shù)據(jù)
緩存的工作原理是當(dāng)CPU要讀取一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，首先會(huì)從緩存中查找，如果找到就立即讀取并送給CPU處理；如果沒有找到，就從速度相對(duì)慢得多的內(nèi)存中讀取并送給CPU處理，同時(shí)把這個(gè)數(shù)據(jù)所在的數(shù)據(jù)塊調(diào)入緩存中，可以使得以后對(duì)整塊數(shù)據(jù)的讀取都從緩存中進(jìn)行，不必再調(diào)用內(nèi)存。有此可見緩存對(duì)處理器的性能有著重大的影響。
一般AMD的處理器相比Intel擁有更少的緩存，比如速龍64 X2 5000+緩存量為2X128KB+2X512KB=1.256MB，而定位在同檔次的Intel奔騰E5200的緩存量只二級(jí)緩存就達(dá)到了2MB，目前廣為人知的Intel的處理器性能相對(duì)更依賴緩存，1MB二級(jí)緩存的處理器要比同樣架構(gòu)的、具有2MB二級(jí)緩存的處理器性能差很多。
Intel處理器比較依賴緩存
為什么Intel的處理器更依賴緩存呢？這主要在于Intel與AMD的緩存邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)。一般CPU讀取的數(shù)據(jù)（包括指令）中有80%來自一級(jí)緩存，對(duì)于AMD來說一、二、三級(jí)緩存都是用來存儲(chǔ)CPU將要處理器的數(shù)據(jù)的，因此在一級(jí)緩存中未找到（命中）的數(shù)據(jù)可以去二級(jí)緩存，甚至三級(jí)緩存里去找，而Intel的結(jié)構(gòu)不是這樣的。
Intel一級(jí)緩存采用“數(shù)據(jù)代碼指令追蹤緩存”架構(gòu)
Intel的一級(jí)緩存采用“數(shù)據(jù)代碼指令追蹤緩存”架構(gòu)，這種架構(gòu)并不是直接存儲(chǔ)CPU可以直接用的數(shù)據(jù)，而且存儲(chǔ)該部分?jǐn)?shù)據(jù)的地址（可以理解為目錄），而這部分?jǐn)?shù)據(jù)則被存儲(chǔ)在二級(jí)緩存甚至三級(jí)緩存里，這樣CPU可以根據(jù)一級(jí)緩存的“目錄”來在緩存里面快速找到所需要的數(shù)據(jù)，因此理論上講對(duì)于Intel處理器二級(jí)緩存和三級(jí)緩存容量越大越好。
一般CPU中的一級(jí)緩存容量都很少，即使是售價(jià)高昂的六核酷睿i7-980X，一級(jí)緩存也只有2X 6X32KB=384KB，還不到512KB，既然都是最高端的旗艦了，那么為什么CPU廠商不多給這些CPU多設(shè)計(jì)些一級(jí)緩存呢？
酷睿i7-980X具有384KB一級(jí)緩存
前面也提到了一級(jí)緩存是集成在芯片內(nèi)部的，因此就要占用一定的晶體管，這對(duì)于核心面積有限的處理器來說更多的緩存意味著要提供更多的地方來添加這些晶體管，其次更重要的是一級(jí)緩存的速度極快（達(dá)幾十GB/S，二級(jí)緩存一般為幾GB/S，一級(jí)緩存比二級(jí)緩存要快一個(gè)數(shù)量級(jí)）所以售價(jià)很昂貴，這就極大的限制了它的容量，最后緩存是處理器中的發(fā)熱大戶，設(shè)計(jì)太大容量所帶來的發(fā)熱量是很“可觀”的。
CPU緩存分級(jí)類似于ADSP-BF561的結(jié)構(gòu)
那么如何應(yīng)對(duì)這種情況呢？CPU廠商想出的一個(gè)辦法就是給緩存分級(jí)，也就是引入二級(jí)緩存，通俗來講，二級(jí)緩存即便是一級(jí)緩存的緩沖，主要用來存儲(chǔ)那些CPU處理時(shí)用到的、一級(jí)緩存無法存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)（三級(jí)緩存相對(duì)二級(jí)緩存也類似），這樣采用緩存分級(jí)可以很好的解決延時(shí)問題而且效果不亞于增加一級(jí)緩存容量，成本也比較低。
酷睿2系列處理器的二級(jí)緩存容量從1MB到2MB、3MB、4MB再到6MB、8MB、12MB可以說讓人眼花繚亂，那么為何二級(jí)緩存到了12MB就沒有再增加了呢？
賽揚(yáng)E3200具有1MB二級(jí)緩存
首先二級(jí)緩存屬于SRAM(靜態(tài)RAM)，成本雖然相比一級(jí)緩存有所降低，但仍然意味著較大的成本，其次SRAM雖然有著相比DRAM更高的性能但是卻有它的缺點(diǎn)即集成度不如后者高，換句話說相同容量的DRAM內(nèi)存可以設(shè)計(jì)得體積較小，而SRAM就需要很大的體積，這對(duì)于空間“寸土寸金、房價(jià)高昂”的CPU來說，顯然不能設(shè)計(jì)太大容量，最后前面已經(jīng)提到了給緩存分級(jí)，采用多級(jí)組織可以有效降低延時(shí)，提高cache的命中率。
酷睿2 QX9650具有12MB二級(jí)緩存
二級(jí)緩存在達(dá)到了讓網(wǎng)友驚訝的12MB后就沒有再有增加，而且在增加L3緩存后容量有所降低，但是處理器的性能非但沒有降低，反而有了更大的提升，那么這又是怎么一回事呢？
三級(jí)緩存可以看做是二級(jí)緩存的緩沖器，使用較快速的儲(chǔ)存裝置直接從較慢的內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行拷貝，這對(duì)于有效得降低內(nèi)存的延遲大有好處。
粉紅色部分即為三級(jí)緩存
其實(shí)最早的L3緩存被應(yīng)用在AMD發(fā)布的K6-III處理器上，當(dāng)時(shí)的L3緩存受限于制造工藝，并沒有被集成進(jìn)芯片內(nèi)部，而是集成在主板上。在只能夠和系統(tǒng)總線頻率同步的L3緩存同主內(nèi)存其實(shí)差不了多少。后來使用L3緩存的是英特爾為服務(wù)器市場所推出的Itanium處理器，接著就是P4EE和至強(qiáng)MP。
酷睿i7二級(jí)緩存核心獨(dú)享
不過為什么酷睿i7的二級(jí)緩存反而隨著三級(jí)緩存的采用而減少了呢？仔細(xì)觀察酷睿i系列處理器的架構(gòu)即可發(fā)現(xiàn)酷睿i7處理器的二級(jí)緩存不再是采用酷睿2處理器的共享設(shè)計(jì)，而是每顆核心具有自己獨(dú)立的二級(jí)緩存，這樣就沒有必要設(shè)計(jì)那么大容量的公用資源區(qū)了，而這一任務(wù)則交給了高達(dá)12MB的三級(jí)緩存，而且三級(jí)緩存和內(nèi)存一樣，容量越大，成本越低，這樣將公用數(shù)據(jù)資源的任務(wù)交給L3緩存不僅同樣解決了延時(shí)，同時(shí)也有效降低了成本。
在Intel的酷睿i系列處理器中，三級(jí)緩存容量繼續(xù)延續(xù)了酷睿2時(shí)代L2緩存容量“百花齊放”的局面。
酷睿i3處理器具有4MB L3緩存
酷睿i3-530具有4MB三級(jí)緩存，酷睿i5-750具備8MB三級(jí)緩存，酷睿i7-980X具有12MB三級(jí)緩存，三級(jí)緩存容量隨核心數(shù)的增加而增加，可以簡單理解為，越多的核心可以應(yīng)對(duì)更大的數(shù)據(jù)量處理，因此更大的三級(jí)緩存就很有必要了。
酷睿i5-760具有8MB三級(jí)緩存
那么三級(jí)緩存對(duì)處理器的性能影響到底有多大呢？實(shí)際上三級(jí)緩存的速度相比二級(jí)緩存要慢很多，但是三級(jí)緩存對(duì)于大數(shù)據(jù)量處理的貢獻(xiàn)是很大的，尤其是在一些較依賴緩存、運(yùn)算量較大的游戲中如《英雄連》表現(xiàn)明顯，而且三級(jí)緩存在服務(wù)器處理器中的作用也更為明顯。
一般來講，緩存容量越大對(duì)處理器的性能提升越好，但是除了前面所說的成本、發(fā)熱量限制等因素外，緩存容量并不能純粹的保持越大越好。
未來會(huì)否有四級(jí)緩存？
在實(shí)際應(yīng)用中，CPU處理的數(shù)據(jù)中大多數(shù)都是0KB～128KB大小的數(shù)據(jù)，128KB～256KB的數(shù)據(jù)約有10％，256KB～512KB的數(shù)據(jù)有5％，512KB～1MB的數(shù)據(jù)僅有3％左右。因此這對(duì)于CPU來說，二級(jí)緩存容量從0KB增加到256KB對(duì)CPU性能的提高幾乎是直線性的；增加到512KB對(duì)CPU性能的提高就要小一些；而從512KB增加到1MB，大多數(shù)情況下普通用戶就很難體會(huì)到CPU性能有多大提高了。
AMD羿龍II X6 1090T具有6MB三級(jí)緩存
而且經(jīng)過實(shí)際測試，桌面級(jí)處理器的三級(jí)緩存從2MB增加到6MB只帶來大約5%的性能提升，再增加帶來的性能提升就更不明顯了，這從在多數(shù)測試中酷睿i3-530處理器都性能直追酷睿i5-750上可以看出來，而且相比羿龍II四核處理器，AMD羿龍II六核處理器似乎只是增加了1MB的二級(jí)緩存，三級(jí)緩存容量仍然保持在了6MB，這樣合理的控制緩存容量，不僅沒有降低多少處理器的性能，還能更好的控制處理器的成本，這對(duì)于應(yīng)對(duì)競爭激烈的最高形式——價(jià)格戰(zhàn)是非常有利的。
● 總結(jié)
處理器的制造工藝不斷進(jìn)步，處理器架構(gòu)也不斷更新，緩存在處理器中將會(huì)有何種形式的調(diào)整恐怕只有兩大處理器巨頭的技術(shù)工程師知道了，不過緩存作為CPU和內(nèi)存間的緩沖器的作用在內(nèi)存的速度趕上處理器速度之前是很難發(fā)生改變的?！?
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