英特尔和AMD的缓存之争：谁能赢得未来？

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文｜雷科技

对AMD而言，近两年算是喜忧参半的两年。

洗心革面的英特尔，带来了重整旗鼓后的第十二代酷睿处理器。全新的高性能混合架构，将性能内核和效率内核相互结合，让处理器性能、生产力和创作力较之以往实现了飞跃，将AMD的常规处理器产品压得喘不过气。

但另一方面，得益于大型游戏对三级缓存的充分利用，AMD 3D V-Cache堆叠缓存近两年大放异彩。最新发布的R7 7800X3D更是凭借相对领先的性能、更低的理论功耗和更高的性价比大杀四方，和i9-13900打得难分高下。

作为PC行业的霸主，显然不会任由AMD这样占有技术优势。

4月24日讯，2020年12月的专利显示，该公司下一代CPU架构又称「Meteor Lake架构」将具有封装缓存功能，预计L4缓存将成为基础区块的一部分，可以被下一代CPU的任何构建块访问。该消息在近期发布的Linux Patch补丁中得以证实，相关产品最快会在今年下半年正式发布。

如果说，AMD是在片上缓存设计的当下做功夫，那么英特尔盯上的可能是片上缓存设计的未来。

缓存的发展史

首先，缓存是什么？

在CPU行业中，缓存即Cache Memory，指的是可以和CPU/集成GPU进行高速数据交换的存储器。

当然这种概念，在早年PC行业是不存在的。维基百科显示，早年间（指1980年前）的CPU普遍采用冯·诺依曼架构。这是一个非常简单的结构，内存、CPU 和I/O都根据一个主时钟以锁步方式发生，CPU直接从主存储器中读取数据，借此解决了当时计算机存储容量太小，运算速度过慢的问题。

（图源：程序员大本营，冯·诺依曼架构）

然而，随着时间推移，CPU和内存的发展速度出现了严重不对等的情况。

为了解决CPU速率和主存访问速率差距过大的问题，IBM的Maurice Wilkes在1965年提出了缓存的概念，即在两者之间插入一块速度比内存更快的高速缓存。只要将近期 CPU 要用的信息调入缓存，CPU 便可以直接从缓存中获取信息，从而提高访问速度。

至于落实到消费级市场上，则需要再往后推移。

1989年，英特尔发布了Intel i486处理器，这颗CPU创新性地集成了浮点运算处理器和多重管线，而且在X86系列中首次使用了 RISC（精简指令集）技术，可以在一个时钟周期内执行一条指令，最重要的是，它还拥有8KB的L1 Cache，使整个芯片的性能得到大幅度提升。

尽管在后续数十年时间里，缓存的具体概念历经了几次变化，但整体架构在1990年代后期便趋于稳定。

目前市面上常见的CPU Cache通常分为三级缓存：L1 Cache、L2 Cache、L3 Cache，级别越低的离CPU核心越近，访问速度也快，但是存储容量相对就会越小。其中，在多核心的CPU里，每个核心都有各自的L1/L2Cache，而L3 Cache是所有核心共享使用的。

然后出现的，便是我们今天要讲的四级缓存（L4 Cache)。

改良，加以再现

不过四级缓存这个概念，并非第一次出现在市面上。

为了满足多个处理器之间的协同需求，进入2010年代后，IBM开始尝试性地在System z11大型机的NUMA互连芯片组中添加了L4缓存。

最有趣的是，他们在近两年高调宣布取消L3/L4物理缓存，将所有缓存都用eDRAM来实现——由此实现了至高32MB的L2缓存 ，256MB的共享L3缓存以及8GB共享L4缓存。

英特尔这边，则是在四代酷睿Haswell架构处理器上搭载了eDRAM，作为CPU和iGPU的L4四级缓存。

举个例子，当时的顶级移动端CPU——i7-4950QH，便在常规的三级缓存以外，额外搭载了一块针对iris Pro系列核显的128MB缓存芯片，希望以此来缓解核显对于内存本身的占用，和AMD APU搭载的A系列核显抗衡的同时，提升CPU的运行效率。

遗憾的是，因为当时设计不成熟的原因，配备的这块四级缓存几乎没有用武之地，除了核显在运行游戏时会产生比较积极的调度，以及提升挖矿能力以外，在CPU运行软件的时候，大部分情况下，各种应用程序还是会主动调用三级缓存，在性能上并没有什么优势。

（图源：快科技，i7-4750QH实测）

正因如此，这项配置延续到Coffee Lake 9代酷睿便没了下文。

在吸取教训后，如今已经准备好代号为Adamantine L4的高速缓存，希望从另外一个角度推动四级缓存的普及。

根据外媒VideoCardz发现的专利表明，的Adamantine缓存将提供比任何典型缓存（如L3缓存等）更快的访问速度，不仅可以改善CPU和内存之间的传输效率，还可以改善CPU和安全控制器之间的通信，甚至在重置时保留缓存中的数据以缩短加载时间。

不仅如此，因为eDRAM的特性，Adamantine缓存不必再拘泥于现有的容量限制，Meteor Lake的Adamantine缓存甚至可以扩展到“GB”级别。即便是目前测试的大小：128MB到512MB，也已经是传统三缓的数倍，甚至可以和AMD 3D V-Cache同台较量。

而这，正是英特尔目前想要实现的效果。

新缓存，新革命

也就是说，四级缓存的时代要来了？

在我看来，即便英特尔方面野心勃勃，但是想要革新目前的PC缓存机制并没有那么简单。

首先，应用的适配程度始终是个问题。即便是目前大热的AMD 3D V-Cache堆叠缓存，也仅有在部分非常吃缓存容量的大型3A游戏/MMO网络游戏上面，才能体现出明显的优势，在高分辨率的情况下，甚至可能出现游戏性能被主频和核心数更多的处理器超越的情况。

其次，则在于产品的成本问题。即便Adamantine缓存真的像所述，速度更快、延迟更低，但它必然需要更大的面积和更复杂的设计，也会增加处理器的功耗和发热，从而影响散热和电池续航（参考AMD 3D V-Cache过热），最终导致硬件成本的成倍增加。

不管怎么说，对普通用户而言，一款产品是否值得购买，是要从性能、功能、价格等各个方面来决策选择的。随着计算机技术的不断进步，未来必然会出现更多层次的缓存设计，即便因为价格问题无法快速普及，像Adamantine缓存这种在工程上付出了较大努力的产品，还是值得相当程度的肯定的。

英特尔能否再度引领缓存技术的未来？或许只有时间能给我们答案。返回搜狐，查看更多

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