再谈Nehalem架构的缓存设计

    Core i7处理器已经发布，不过有关新架构Nehalem的话题还在继续，特别是缓存问题：为什么再加入了三级缓存之后二级缓存变得这么小了？

权威硬件网站AnanTech.com主编兼创始人Anand Lal Shimpi同样有这样的疑惑，他甚至直接对Nehalem架构首席设计师Ronak Singhal说：“我认为Nehalem的缓存容量设计是错误的。”迷茫的Ronak Singhal还以为是在说8MB三级缓存。

先来回顾一下从1998年至今Intel处理器每个核心二级缓存容量的发展历史：

总的来说我们可以得到一个线性趋势，从Pentium III的256KB一直走到45nm Core 2 Duo/Quad的3MB，不过顺着直线走是看不到Core i7的，得垂直向下来到接近横轴的地方，因为Core i7每个核心只有256KB缓存，仿佛一夜之间一切又都回到了10年前。

不过如果再看看二级和三级缓存总容量的发展史，就不太一样了：

从1998年到2004年，Intel处理器外部缓存一直很小，但从2005年开始就呈指数式增长了，因为那一年有了双核心，然后是四核心，最终飙升到了12MB，而拥有10MB总缓存的Core i7基本也是沿着这条曲线的。

事实上，正是从单核心向多核心的转变影响了缓存的设计，因为现在要考虑的是如何同时满足多个核心，而不是单独一个。在多核心的必然趋势下，Nehalem架构是按照四核心处理器来设计的，同时也有着很好的弹性(可扩展性)，既能向上扩充做成八核心，也能向下精简做成双核心。

很多工程师认为，对现在的工作负载来说，Nehalem的二级缓存确实是太小了，不过增大二级缓存不仅仅是核心面积的问题，还有延迟。Nehalem二级缓存的延迟是10个周期，以后还可能会再增加1-2个，而对于每核心512KB的小容量二级缓存来说，访问周期延长20％基本上是无法接受的。

今后的二级缓存是否会一定扩容？这可没保证，而Intel的关注点可能会是提升三级缓存的速度。现在8MB三级缓存的访问周期是41个，还有一定的改进空间，比如做到30个是可能的。可惜Ronak Singhal在谈及这个问题的时候闪烁其词，没有说具体怎么说，只说了一句“微架构调整”。

8MB三级缓存看起来已经不少，但每个核心平均只能分到2MB，在Ronak Singhal看来还远远不够。预计下一代32nm工艺产品会在这方面进行增强，也正好符合上边的曲线图。

其实呢，不管微架构如何设计，实际性能表现才是最关键的。Nehalem相比于Penryn有着0-60％的全方位性能提升，这是有目共睹的，所以尽管二级缓存变得很小，也没什么可抱怨的了。