幕后英雄 隐藏在硬件背后的缓存

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无处不在的缓存

我们都知道，缓存是用于平衡高速设备和低速设备之间速度差异的纽带，也是一种用于存储临时文件的交换区，其最大意义就是“尽可能”帮助低速设备不拖高速设备的后退。之所以是“尽可能”，是因为缓存的容量通常都很小，而且数据在缓存中的命中率也是有限的。但无论如何，缓存都是提高整体性能中不可或缺的关键一环。

以CPU内集成的L2、L3等小容量高速缓存为例（图1），它们就是CPU与内存之间的纽带。在数据交换的过程中，由于CPU的运算速率远超内存，因此CPU在更多的时间中都是在等待数据到来，或是把数据写入内存。而缓存会提前预读CPU即将访问的数据，当CPU需要读取数据时会绕过内存直接从缓存中调用，从而提高读取效率。

HDD的缓存情结

继CPU缓存之后，HDD机械硬盘的缓存也是声名在外。限于物理结构的制约，就速度一项HDD和内存相比简直堪比“垃圾”，如果没有缓存用于作为硬盘和内存之间数据交换的纽带简直就是“作死”，因此如今的HDD大都会配备64MB容量的缓存芯片（图2）。

受SSD固态硬盘的步步紧逼，机械硬盘领域还逐渐衍生出了新的品类：SSHD（混合硬盘）。与HDD相比，SSHD内除了传统的硬盘控制芯片和缓存芯片以外，还会额外加入NAND闪存芯片（多为8GB）和SSD主控芯片（图3～4）。其实，我们可以将新加入的两颗芯片理解为SSHD的特殊缓存模块，它们会将用户频繁使用的各种应用、数据预存到NAND中缓存，这个缓存具备学习和记忆功能，它预存的数据不会因为关机而消失，从而给用户带来PC越用越快的感觉。

SSD和缓存的暧昧关系

SSD固态硬盘的速度远远超过HDD，为何此类高速存储设备内也会内置缓存芯片呢？ 如果将这颗芯片取消会不会影响性能呢？这个问题的答案源于SSD所采用的主控芯片与存储介质。

简单来说，由于SSD的工作机制与HDD不同，其特有的FTL机制让操作系统只能对LBA（逻辑地址）进行操作而不能干涉到PBA（物理地址）的操作。因此，SSD需要一个可以动态转换LBA与PBA层的对应关系的FTL表。SSD容量越大，FTL表也就越大。而SSD内置的DRAM外部缓存芯片就可以用于保存FTL表，从而节省系统访问FTL表的时间提高读写效率。

另一方面，像三星840这类采用TLC闪存的SSD（图5），它所内置的高达512MB的DRAM外部缓存芯片并非提升系统性能，而是起到了延长TLC闪存耐久度的功效。此外，通过主控的特殊算法，还能将缓存用于4K小文件，从而明显提高4K性能。

问题来了，既然都说SSD离不开缓存，那为什么以东芝旗下Q系列SSD为代表的固态硬盘产品，会取消看似重要的缓存芯片呢（图6）？原来，这个秘密就源于东芝Q系列SSD所选用的主控芯片。

SSD主控可弥补缓存作用

东芝Q系列SSD所用的主控芯片是基于Marvell主控的二次开发，和Marvell最新的88NV11X0系列主控有着血缘关系。88NV11X0系列包括88NV1120和88NV1140两款，它们最大的特色就是不再需要DRAM外部缓存芯片。

88NV11X0系列主控芯片内置了两颗Cortex-R5 CPU核心，并通过嵌入式的SRAM硬件加速来优化IOPS随机性能。换句话说，88NV11X0主控可以通过更为复杂的固件算法来模拟DRAM外部缓存的功能，从而可以帮助SSD节省出一个缓存芯片的空间。要知道，88NV11X0主控的封装尺寸只有8×8mm2，最少仅需两颗芯片就可做成一个SSD。也许对2.5英寸标准尺寸SSD来说不算什么，但对M.2（NGFF）接口的迷你SSD来说就意义非凡了，使大容量2230（22mm宽，30mm长）规格的M.2成为了可能。

就性能而言，东芝Q系列SSD与同价位带缓存的SSD相比也是不遑多让（图7），失去了缓存芯片的帮忙并没有出现想象中的性能和寿命衰减。在M.2成为新一代主板和笔记本的标准接口后，不需要缓存的SSD主控将有更为广泛的发展前景，相同容量但尺寸更小的SSD可以帮助PC们进一步瘦身。

缓存成集显“激素”

笔记本用户肯定都发现了一个有趣的现象，CPU集成显卡在配备双内存时的性能更好，内存频率越高，集显性能也就越强。实际上，对CPU集显而言，系统会将一部分内存空间虚拟成集显的“缓存”（也可称为显存），缓存规格越高（如双内存时就是双通道），性能自然也就越强了。

而英特尔旗下的Iris/Iris Pro（锐炬）系列核芯显卡之所以可以获得媲美GT640M级别独立显卡的性能，答案就源于在CPU上加入了一颗128MB容量的eDRAM嵌入式缓存（图8），代号“Crystalwell”。我们可以将Crystalwell视为内存体系中的“四级缓存”，任何从三级缓存中被赶出来的数据都会到这里边来，其双向带宽可达50GB/s，从而彻底解决了集成显卡面临内存带宽不足的问题。

小 结

总之，缓存是PC领域各种硬件的重要组成部分，只是在技术的发展过程中面临着更多可能。比如在CPU中新出现的eDRAM缓存可以进一步改善集显性能，但需要面临更高的功耗和成本压力;在SSD硬盘领域中，缓存可以被新主控与固件算法取代，从而帮助厂商设计更为迷你的SSD产品。