幕后英雄 隱藏在硬件背后的緩存

無處不在的緩存

我們都知道，緩存是用于平衡高速設備和低速設備之間速度差異的紐帶，也是一種用于存儲臨時文件的交換區，其最大意義就是“盡可能”幫助低速設備不拖高速設備的后退。之所以是“盡可能”，是因為緩存的容量通常都很小，而且數據在緩存中的命中率也是有限的。但無論如何，緩存都是提高整體性能中不可或缺的關鍵一環。

以CPU內集成的L2、L3等小容量高速緩存為例（圖1），它們就是CPU與內存之間的紐帶。在數據交換的過程中，由于CPU的運算速率遠超內存，因此CPU在更多的時間中都是在等待數據到來，或是把數據寫入內存。而緩存會提前預讀CPU即將訪問的數據，當CPU需要讀取數據時會繞過內存直接從緩存中調用，從而提高讀取效率。

HDD的緩存情結

繼CPU緩存之后，HDD機械硬盤的緩存也是聲名在外。限于物理結構的制約，就速度一項HDD和內存相比簡直堪比“垃圾”，如果沒有緩存用于作為硬盤和內存之間數據交換的紐帶簡直就是“作死”，因此如今的HDD大都會配備64MB容量的緩存芯片（圖2）。

受SSD固態硬盤的步步緊逼，機械硬盤領域還逐漸衍生出了新的品類：SSHD（混合硬盤）。與HDD相比，SSHD內除了傳統的硬盤控制芯片和緩存芯片以外，還會額外加入NAND閃存芯片（多為8GB）和SSD主控芯片（圖3～4）。其實，我們可以將新加入的兩顆芯片理解為SSHD的特殊緩存模塊，它們會將用戶頻繁使用的各種應用、數據預存到NAND中緩存，這個緩存具備學習和記憶功能，它預存的數據不會因為關機而消失，從而給用戶帶來PC越用越快的感覺。

SSD和緩存的曖昧關系

SSD固態硬盤的速度遠遠超過HDD，為何此類高速存儲設備內也會內置緩存芯片呢？ 如果將這顆芯片取消會不會影響性能呢？這個問題的答案源于SSD所采用的主控芯片與存儲介質。

簡單來說，由于SSD的工作機制與HDD不同，其特有的FTL機制讓操作系統只能對LBA（邏輯地址）進行操作而不能干涉到PBA（物理地址）的操作。因此，SSD需要一個可以動態轉換LBA與PBA層的對應關系的FTL表。SSD容量越大，FTL表也就越大。而SSD內置的DRAM外部緩存芯片就可以用于保存FTL表，從而節省系統訪問FTL表的時間提高讀寫效率。

另一方面，像三星840這類采用TLC閃存的SSD（圖5），它所內置的高達512MB的DRAM外部緩存芯片并非提升系統性能，而是起到了延長TLC閃存耐久度的功效。此外，通過主控的特殊算法，還能將緩存用于4K小文件，從而明顯提高4K性能。

問題來了，既然都說SSD離不開緩存，那為什么以東芝旗下Q系列SSD為代表的固態硬盤產品，會取消看似重要的緩存芯片呢（圖6）？原來，這個秘密就源于東芝Q系列SSD所選用的主控芯片。

SSD主控可彌補緩存作用

東芝Q系列SSD所用的主控芯片是基于Marvell主控的二次開發，和Marvell最新的88NV11X0系列主控有著血緣關系。88NV11X0系列包括88NV1120和88NV1140兩款，它們最大的特色就是不再需要DRAM外部緩存芯片。

88NV11X0系列主控芯片內置了兩顆Cortex-R5 CPU核心，并通過嵌入式的SRAM硬件加速來優化IOPS隨機性能。換句話說，88NV11X0主控可以通過更為復雜的固件算法來模擬DRAM外部緩存的功能，從而可以幫助SSD節省出一個緩存芯片的空間。要知道，88NV11X0主控的封裝尺寸只有8×8mm2，最少僅需兩顆芯片就可做成一個SSD。也許對2.5英寸標準尺寸SSD來說不算什么，但對M.2（NGFF）接口的迷你SSD來說就意義非凡了，使大容量2230（22mm寬，30mm長）規格的M.2成為了可能。

就性能而言，東芝Q系列SSD與同價位帶緩存的SSD相比也是不遑多讓（圖7），失去了緩存芯片的幫忙并沒有出現想象中的性能和壽命衰減。在M.2成為新一代主板和筆記本的標準接口后，不需要緩存的SSD主控將有更為廣泛的發展前景，相同容量但尺寸更小的SSD可以幫助PC們進一步瘦身。

緩存成集顯“激素”

筆記本用戶肯定都發現了一個有趣的現象，CPU集成顯卡在配備雙內存時的性能更好，內存頻率越高，集顯性能也就越強。實際上，對CPU集顯而言，系統會將一部分內存空間虛擬成集顯的“緩存”（也可稱為顯存），緩存規格越高（如雙內存時就是雙通道），性能自然也就越強了。

而英特爾旗下的Iris/Iris Pro（銳炬）系列核芯顯卡之所以可以獲得媲美GT640M級別獨立顯卡的性能，答案就源于在CPU上加入了一顆128MB容量的eDRAM嵌入式緩存（圖8），代號“Crystalwell”。我們可以將Crystalwell視為內存體系中的“四級緩存”，任何從三級緩存中被趕出來的數據都會到這里邊來，其雙向帶寬可達50GB/s，從而徹底解決了集成顯卡面臨內存帶寬不足的問題。

小 ? ?結

總之，緩存是PC領域各種硬件的重要組成部分，只是在技術的發展過程中面臨著更多可能。比如在CPU中新出現的eDRAM緩存可以進一步改善集顯性能，但需要面臨更高的功耗和成本壓力;在SSD硬盤領域中，緩存可以被新主控與固件算法取代，從而幫助廠商設計更為迷你的SSD產品。