新架构新性能 Core i7处理器剖析与测试

◆ 三级包含式Cache设计

　　Nehalem在缓存结构上作了重要改进，采用了三层缓存模式的，其中L1高速缓存置于核心之内，具备64KB大小（32KB数据和32KB指令），在核心中还具备有256KB的L2高速缓存，L1和L2缓存都是每个处理核心所独占的，各个核心之间的L2高速缓存不会共享（和Core不同）。另外还有L3缓存，其容量高达8MB，L3缓存内的数据可以供各核心共享。

　　在L1缓存方面Nehalem微架构并没有做太多改动，数据缓存依然是8路联合设计，不过它的潜伏周期却比Core架构的Penryn要高，Nehalem的为4个周期，Penryn仅有3个周期，Intel解释说在Nehalem这样极复杂的芯片中降低L1的速度有利于更好地控制处理器的时钟速度。

　　Nehalem的L2缓存容量则大幅减小，而且不再是共享式。Nehalem每个核心拥有独立的256KB L2缓存（即双核处理器512KB、四核处理器1MB）。Nehalem的L2缓存拥有极低的潜伏期，Intel指出，小容量L2的速度将会更快，数据从L2中装载和输出仅需10个潜伏期就可以达成。作为比较，Penryn中核心间可以共享6MB容量的L2缓存，潜伏期为14个周期。Nehalem的L2缓存也并未像以前的处理器那样使用包含式（inclusive）设计，L2缓存不再完整存储L1缓存的内容，不过由于它们的cache line仍然相同，所以可以在同一核心内进行数据交换（非全速）。

　　与Core大不同的是，Nehalem具备有8MB大容量的L3缓存，实际上L3缓存并不是什么稀奇的东西，在以前的Pentium 4EE处理器和现在的AMD处理器中均有出现，但这次Nehalem的L3缓存与众不同，它采用了完全包含式（Full Inclusive）设计。

　　所谓完全包含式L3缓存指的是该缓存中完全存储了更低级别的缓存（L1和L2）中的所有内容。这样的设计缺点是L3缓存需要消耗1MB多（即L1与L2之和）空间用于存储L1和L2缓存中的数据。

　　由于L3缓存是最终级缓存，因此它采用包含式或者独立式将会影响snoop traffic（侦查缓存数据所做的性能消耗）大小。如果采用独立式设计，当其未命中时处理器还要逐个检查每个核心的独享缓存中是否有所需数据。在极端情况下，处理器可能在所有缓存中都未找到所需数据，此时开始从系统内存调用数据，这就造成了极大的性能消耗。

　　Nehalem采用完全包含式L3缓存作为最终级缓存就可以最大限度减少snoop traffic。在L3缓存中有着其他缓存的数据副本，当L3中未找到数据，则所有的L1和L2缓存中必然也不会有。系统此时无需再逐个检索每个核心的独享缓存，而是直接从系统内存调用数据。

　　在Nehalem的L3缓存中的每一个cache line里，有4bit空间（恰好针对4个核心）用来做核心确认，用于指示哪个核心的独享缓存里可能具有该cache line的备份。完全包含式缓存和核心确认位技术的联合使用，使得snoop traffic可以大大减少。