圖片來源 @視覺中國
文｜雷科技
對 AMD 而言，近兩年算是喜憂參半的兩年。
洗心革面的英特爾，帶來了重整旗鼓後的第十二代酷睿處理器。全新的高性能混合架構，将性能内核和效率内核相互結合，讓處理器性能、生産力和創作力較之以往實現了飛躍，将 AMD 的常規處理器産品壓得喘不過氣。
但另一方面，得益于大型遊戲對三級緩存的充分利用，AMD 3D V-Cache 堆疊緩存近兩年大放異彩。最新發布的 R7 7800X3D 更是憑借相對領先的性能、更低的理論功耗和更高的性價比大殺四方，和 i9-13900 打得難分高下。
作爲 PC 行業的霸主，英特爾顯然不會任由 AMD 這樣占有技術優勢。
4 月 24 日訊，英特爾2020 年 12 月的專利顯示，該公司下一代 CPU 架構又稱「Meteor Lake 架構」将具有封裝緩存功能，預計 L4 緩存将成爲基礎區塊的一部分，可以被下一代 CPU 的任何構建塊訪問。該消息在近期發布的 Linux Patch 補丁中得以證實，相關産品最快會在今年下半年正式發布。
如果說，AMD 是在片上緩存設計的當下做功夫，那麽英特爾盯上的可能是片上緩存設計的未來。
緩存的發展史
首先，緩存是什麽？
在 CPU 行業中，緩存即 Cache Memory，指的是可以和 CPU/ 集成 GPU 進行高速數據交換的存儲器。
當然這種概念，在早年 PC 行業是不存在的。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。這是一個非常簡單的結構，内存、CPU 和 I/O 都根據一個主時鍾以鎖步方式發生，CPU 直接從主存儲器中讀取數據，借此解決了當時計算機存儲容量太小，運算速度過慢的問題。
（圖源：程序員大本營，馮 · 諾依曼架構）
然而，随着時間推移，CPU 和内存的發展速度出現了嚴重不對等的情況。
爲了解決 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内存更快的高速緩存。隻要将近期 CPU 要用的信息調入緩存，CPU 便可以直接從緩存中獲取信息，從而提高訪問速度。
至于落實到消費級市場上，則需要再往後推移。
1989 年，英特爾發布了 Intel i486 處理器，這顆 CPU 創新性地集成了浮點運算處理器和多重管線，而且在 X86 系列中首次使用了 RISC（精簡指令集）技術，可以在一個時鍾周期内執行一條指令，最重要的是，它還擁有 8KB 的 L1 Cache，使整個芯片的性能得到大幅度提升。
盡管在後續數十年時間裏，緩存的具體概念曆經了幾次變化，但整體架構在 1990 年代後期便趨于穩定。
目前市面上常見的 CPU Cache 通常分爲三級緩存：L1 Cache、L2 Cache、L3 Cache，級别越低的離 CPU 核心越近，訪問速度也快，但是存儲容量相對就會越小。其中，在多核心的 CPU 裏，每個核心都有各自的 L1/L2Cache，而 L3 Cache 是所有核心共享使用的。
然後出現的，便是我們今天要講的四級緩存（L4 Cache ) 。
改良，加以再現
不過四級緩存這個概念，并非第一次出現在市面上。
爲了滿足多個處理器之間的協同需求，進入 2010 年代後，IBM 開始嘗試性地在 System z11 大型機的 NUMA 互連芯片組中添加了 L4 緩存。
最有趣的是，他們在近兩年高調宣布取消 L3/L4 物理緩存，将所有緩存都用 eDRAM 來實現——由此實現了至高 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 架構處理器上搭載了 eDRAM，作爲 CPU 和 iGPU 的 L4 四級緩存。
舉個例子，當時的頂級移動端 CPU —— i7-4950QH，便在常規的三級緩存以外，額外搭載了一塊針對 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于内存本身的占用，和 AMD APU 搭載的 A 系列核顯抗衡的同時，提升 CPU 的運行效率。
遺憾的是，因爲當時設計不成熟的原因，英特爾配備的這塊四級緩存幾乎沒有用武之地，除了核顯在運行遊戲時會産生比較積極的調度，以及提升挖礦能力以外，在 CPU 運行軟件的時候，大部分情況下，各種應用程序還是會主動調用三級緩存，在性能上并沒有什麽優勢。
（圖源：快科技，i7-4750QH 實測）
正因如此，這項配置延續到 Coffee Lake 9 代酷睿便沒了下文。
在吸取教訓後，如今英特爾已經準備好代号爲 Adamantine L4 的高速緩存，希望從另外一個角度推動四級緩存的普及。
根據外媒 VideoCardz 發現的專利表明，英特爾的 Adamantine 緩存将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 和内存之間的傳輸效率，還可以改善 CPU 和安全控制器之間的通信，甚至在重置時保留緩存中的數據以縮短加載時間。
不僅如此，因爲 eDRAM 的特性，Adamantine 緩存不必再拘泥于現有的容量限制，英特爾Meteor Lake 的 Adamantine 緩存甚至可以擴展到 "GB" 級别。即便是目前測試的大小：128MB 到 512MB，也已經是傳統三緩的數倍，甚至可以和 AMD 3D V-Cache 同台較量。
而這，正是英特爾目前想要實現的效果。
新緩存，新革命
也就是說，四級緩存的時代要來了？
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 緩存機制并沒有那麽簡單。
首先，應用的适配程度始終是個問題。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 遊戲 /MMO 網絡遊戲上面，才能體現出明顯的優勢，在高分辨率的情況下，甚至可能出現遊戲性能被主頻和核心數更多的英特爾處理器超越的情況。
其次，則在于産品的成本問題。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複雜的設計，也會增加處理器的功耗和發熱，從而影響散熱和電池續航（參考 AMD 3D V-Cache 過熱），最終導緻硬件成本的成倍增加。
不管怎麽說，對普通用戶而言，一款産品是否值得購買，是要從性能、功能、價格等各個方面來決策選擇的。随着計算機技術的不斷進步，未來必然會出現更多層次的緩存設計，即便因爲價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産品，還是值得相當程度的肯定的。
英特爾能否再度引領緩存技術的未來？或許隻有時間能給我們答案。
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