在上個(gè)月舉行的HotChips 33上，IBM公布了其下一代Z系列處理器“Telum”。這款處理器采用了全新的內(nèi)核架構(gòu)，針對(duì)AI加速做了優(yōu)化。其配置了8核16線程，頻率超過5GHz，采用了三星7nm工藝制造，核心面積為530平方毫米，集成了225億個(gè)晶體管，擁有全新的分支預(yù)測(cè)、緩存和多芯片一致性互連。
IBM的Z系列處理器以擁有大型L3緩存而出名，并有單獨(dú)的全局L4緩存，可作為多個(gè)處理器之間的緩存。不過在Telum上，不但沒有了L4緩存，而且L3緩存也沒有了。要知道無論英特爾還是AMD，現(xiàn)在都盡可能增大L3緩存容量或增加L4緩存以提高性能，比如在AMD采用3D垂直緩存（3D V-Cache）技術(shù)的Zen 3架構(gòu)桌面處理器，為每個(gè)CCD帶來額外的64MB 7nm SRAM緩存。
近日，Anandtech發(fā)表了一篇文章，討論了Telum的緩存架構(gòu)。
現(xiàn)代的處理器普遍都有多級(jí)緩存，至于為什么會(huì)這樣，可以看我們《超能課堂(133)：為什么CPU緩存會(huì)分為L(zhǎng)1、L2、L3？》簡(jiǎn)單了解一下。簡(jiǎn)單來說，越靠近執(zhí)行端口的緩存越小但越快（比如L1），緩存越多且越大那么訪問所需的周期就越長(zhǎng)（比如L3）。緩存除了大小，延遲也很重要，通常緩存越大延遲越大，緩存命中率也會(huì)更低。
為了更有效利用緩存，芯片設(shè)計(jì)公司需要分析這款處理器將用于哪方面的工作負(fù)載，以提高設(shè)計(jì)的效率。IBM的產(chǎn)品一般都是大型主機(jī)使用，大多是政府或銀行這樣的客戶，對(duì)安全性和穩(wěn)定性極高，這些產(chǎn)品都有故障安全和故障轉(zhuǎn)移功能。
IBM在上一代Z15產(chǎn)品上，基本單元是一個(gè)由五個(gè)模塊構(gòu)成的系統(tǒng)，其中四個(gè)是計(jì)算模塊（CP），一個(gè)是控制模塊（SC）。四個(gè)計(jì)算模塊每個(gè)有12個(gè)內(nèi)核和256MB共享的L3緩存，核心頻率為5.2 GHz，面積為696平方毫米。四個(gè)計(jì)算模塊兩兩配對(duì)，各自與控制模塊相連。控制模塊擁有960MB的L4緩存，并與四個(gè)計(jì)算模塊共享。Z15采用了IBM和GlobalFoundries聯(lián)合研發(fā)的14nm FinFET SOI特殊工藝制造，L1和L2緩存與核心頻率一樣都是5.2 GHz，L3和L4緩存則是半速的2.6 GHz。
這意味著單個(gè)IBM Z15系統(tǒng)是25塊696平方毫米的芯片組成，共有20 x 256MB的L3 緩存，還有5 x 960MB的L4緩存，以全對(duì)全拓?fù)溥B接。
IBM沒有將新一代產(chǎn)品稱為Z16，而且稱為Telum，可能是因?yàn)閷?duì)緩存的采用了不同的處理方法。Telum采用三星7nm工藝制造，單芯片擁有8個(gè)核心，面積為530平方毫米。IBM將兩個(gè)芯片封裝在一起，將四個(gè)同樣封裝的處理器組成一個(gè)單元，然后將四個(gè)同樣的單元組成一個(gè)系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)共有32個(gè)芯片和256個(gè)核心。
IBM為每個(gè)核心配置了32MB的L2緩存，這比一般的處理器大得多，而且取消了核心之間共享的L3和L4緩存。一般來說，這樣的設(shè)計(jì)會(huì)使得緩存有很高的訪問延遲。IBM采取的方法是，通過私有物理緩存里打造共享虛擬緩存的方法解決，意思是將平時(shí)需要放置在L3緩存里的部分標(biāo)記為L(zhǎng)3緩存線存在不同核心空余的L2緩存里。L2和L3緩存在物理上是一致的，但是可以根據(jù)工作負(fù)載的需要，包含來自不同核心的L2和L3緩存線的混合。這意味著一個(gè)芯片8個(gè)核心里，8 x 32MB共256MB的L2緩存也可以視為“虛擬”L3緩存。
相似的方法IBM也用在了原來的L4緩存上，L2緩存里也可以容納L4緩存線。從單個(gè)核心的角度來看，在一個(gè)基于Telum打造標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)，可以訪問32MB的L2緩存，256MB的共享虛擬L3緩存，以及8GB的共享L4緩存。IBM表示，使用這種虛擬緩存的系統(tǒng)，每個(gè)核心的緩存相當(dāng)于Z15的1.5倍，而且還改善了數(shù)據(jù)訪問的平均延遲，性能提高了40%以上。
在具體運(yùn)行中如何降低延遲和保證命中率是一個(gè)非常復(fù)雜的操作，加上功耗、緩存在斷電和空閑等狀態(tài)下如何保證單核心工作負(fù)載的一致性，這都是IBM需要考慮的問題。可以思考一下，如果AMD使用3D V-Cache技術(shù)堆疊的不是L3緩存，而是L2緩存，同樣采取虛擬L3緩存線的方式，這樣的微架構(gòu)對(duì)性能會(huì)有怎樣的影響？
【來源：超能網(wǎng)】
