阿喀琉斯之踵橙光完整免费「缓存 CPU的阿喀琉斯之踵」

AMD的3D V-Cache技术让游戏玩家非常兴奋，这也让人们再一次认识到了高速缓存对于CPU的重要性。那么，缓存对CPU的意义究竟有多大呢？

CPU为什么要缓存？

现在的CPU无一例外都具备多级缓存，那么为什么CPU需要缓存呢？其实很久以前，PC使用的处理器如80286是没有缓存的，CPU和内存的频率速度都很慢，速度都是同频率的，所以CPU直接访问内存就够了——到了80386的时候，芯片组开始提供了缓存（这时候CPU自己不带缓存）设计，有些主板会提供一个64KB的缓存（甚至128KB）来“打辅助”，原因就是CPU频率开始快速提高，内存频率跟不上了。

随着CPU频率的快速攀升，内存明显跟不上了——跟得上频率的内存价格突破天际。这样频率之间的落差让CPU和内存的沟通不再“同频”，缓存的作用越发重要，它可以作为一个速度缓冲的水池，平衡CPU和内存之间频率不相等带来的速度差。而且，内存容量的快速增长又带来了另一个问题：它需要更复杂的控制电路来寻址内存位置。说白一点，当乱序读取内存数据的时候，内存的响应时间将变得更不可测，显然这是CPU“等不起”的，CPU就只能浪费指令周期，进行无谓的等待。

所以，即便是外置缓存也不够看，因此片上（CPU内）一级缓存诞生了、随后二级缓存也加入了，这就像水坝的作用一样，上游的水要阶梯式储运。当然，关于一二级缓存的差异（包括数据+指令缓存的区分）还有很多技术细节，这里就不展开讲了。

多级缓存、尤其是三级缓存究竟有什么最直观的作用呢？对于消费级应用来说（个人终端），密集计算几乎是碰不到的事情（CPU长期100%占用率计算），因此缓存的延迟高或低将发挥更关键的作用。比如说游戏，如果CPU三级缓存拥有更低的延迟，意味着渲染帧可以更快速的传输到GPU进行处理，游戏帧率自然会明显提升。所以，这也是为什么当初AMD推出锐龙7 5800X3D的跟本原因（虽然对AMD而言也是个意外发现）。

三级缓存不够了？

那么，现在的三级缓存结构是不是就够用了呢？答案是也不是。

在多核心时代，三级缓存的必要性大幅增加，它是为了协调不同核心中的两级缓存数据，充当他们的缓冲区（一、二级缓存命中率约80%，总命中率约为96%）。因此，你可以看到，三级缓存的容量在随着核心数量的增加而增加。

AMD的3D V-Cache技术本质上还是三级缓存，但不同于传统三级缓存，它是一个“外挂”，通过垂直堆叠的方式“安装”到CPU的晶体之内，简单说，它是应对AMD独特的CCD结构+大容量低成本三级缓存的一种技术实现方式。毕竟，缓存占用面积十分巨大，在寸土寸金的CPU晶体内，缓存甚至比核心本身都来得大，AMD这样的设计明显更为灵活，成本也更加可控。

那么，四级缓存还有必要吗？可以说，Intel和AMD选择了不同的路径去解决这个问题——目前的信息显示，Intel将在第十四代酷睿处理器Meteor Lake中置入四级缓存设计：Intel给这种四级缓存取了个代号开发代号“Adamantine”(艾德曼合金)，并称之为“封装内缓存”(on-package cache)，意味着它并没有集成在CPU核心内部，而是与之共同封装（有没有熟悉的味道？）Intel指出，四级缓存的访问时间大大小于内存，可用来改善主CPU与安全控制器之间的通信效率，大幅提高游戏性能。同时，它可以和BIOS UEFI配合，优化启动流程，缩短开机时间。

目前，还没有进一步的消息显示，但是根据以往的认知，Intel有可能使用的是eDRAM而非SRAM来充当四级缓存——有机会我们单讲二者的区别，简单说成本上eDRAM更便宜，绝对性能上SRAM明显更好，但是面积大且价格昂贵。

为什么要说以往的认知呢？在2013年，Intel推出了Haswell架构处理器，其核显就采用了eDRAM显存——在必要的时候eDRAM显存将充当四级缓存。当然，在实际的使用中，这个四级缓存设计并没有特别的性能提升。显然，在Meteor Lake上，即便使用的还是eDRAM缓存，其设计必然会与Haswell架构有巨大的差异。

其实无论是AMD的3D V-Cache技术（目前已经第二代，锐龙7 7800X3D）还是即将出现的Intel四级缓存设计，无非解决的还是数据缓存的问题，技术路线的差异变得更加有趣了。不过有一点是明确的，下半年的次世代CPU性能之争，游戏玩家可以乐上一阵子了！