浅谈存储器体系结构的未来发展趋势

　　对存储器带宽的追求成为系统设计最突出的主题。SoC设计人员无论是使用ASIC还是FPGA技术，其思考的核心都是必须规划、设计并实现存储器。系统设计人员必须清楚的理解存储器数据流模式，以及芯片设计人员建立的端口。即使是存储器供应商也面临DDR的退出，要理解系统行为，以便找到持续发展的新方法。

　　曾经在斯坦福大学举办的热点芯片大会上，寻求带宽成为论文讨论的主题，设计人员介绍了很多方法来解决所面临的挑战。从这些文章中，以及从现场工作的设计人员的经验中，可以大概看出存储器系统体系结构今后会怎样发展。

　　存储器壁垒

　　基本问题很明显：现代SoC时钟频率高达吉赫兹，并且具有多个内核，与单通道DDR DRAM相比，每秒会发出更多的存储器申请。仅仅如此的话，会有很显然的方案来解决这一问题。但是，这背后还有重要的精细结构，使得这一问题非常复杂，导致有各种各样的解决办法。

　　SoC开发人员关注的重点从高速时钟转向多个内核 ， 这从根本上改变了存储器问题。不再是要求一个 CPU每秒有更高的兆字节（MBps） ，现在，我们面临很多不同的处理器——经常是很多不同类型的处理器，都要求同时进行访问。而且，存储器访问的主要模式发生了变化。科学和商业数据处理任务通常涉及到大量的局部访问，或者更糟糕的是采用相对紧凑的算法很慢的传送大量的数据。配置适度规模的本地SRAM或者高速缓存，这类任务的一个CPU对主存储器的需求并不高。

　　DRAM芯片设计人员利用了这种易用性，以便实现更高的密度和能效。相应的，以可预测的顺序申请大块数据时，DRAM实现了最佳比特率——它允许块间插。如果SoC不采用这种常用模式，存储器系统的有效带宽会降低一个数量级。

　　新的访问模式

　　不好的是，SoC的发展使得DRAM设计人员的假设难以实现。多线程以及软件设计新出现的趋势改变了每一内核访问存储器的方式。多核处理以及越来越重要的硬件加速意味着很多硬件要竞争使用主存储器。这些趋势使得简单的局部访问变得复杂，DRAM带宽与此有关。

　　多线程意味着，当一个存储器申请错过其高速缓存时，CPU不会等待：它开始执行不同的线程，其指令和数据区会在与前面线程完全不同的物理存储区中。仔细的多路高速缓存设计有助于解决这一问题，但是最终，连续DRAM申请仍然很有可能去访问不相关的存储区，即使每一线程都仔细的优化了其存储器组织。相似的，竞争同一DRAM通道的多个内核也会扰乱DRAM访问顺序。

　　软件中的变化也会产生影响。表查找和链接表处理会对大数据结构产生随机分散存储器访问。数据包处理和大数据算法将这些任务从控制代码转移到大批量数据处理流程，系统设计人员不得不专门考虑怎样高效的处理它们。虚拟化把很多虚拟机放到同一物理内核中，使得存储器数据流更加复杂。

　　传统的解决方案

　　这些问题并不是什么新问题——只是变复杂了。因此，芯片和系统设计人员有很多成熟的方法来满足越来越高的基带带宽需求，提高DRAM的访问效率。这些方法包括软件优化、高速缓存以及部署DRAM多个通道等。

　　大部分嵌入式系统设计人员习惯于首先会想到软件优化。在单线程系统中，软件在很大程度上过度使用了存储器通道，能耗较高。但是在多线程、多核系统中，软件开发人员对DRAM控制器上的实际事件顺序的影响很小。一些经验表明，他们很难改变实际运行时数据流模式。DRAM控制器可以使用重新排序和公平算法，编程人员对此并不清楚。

　　高速缓存的效率会更高——如果高速缓存足够大 ，能够显著减少DRAM数据流。例如，在嵌入式多核实现中，相对较小的L1指令高速缓存与规模适度的L2一同工作，能够完全容纳所有线程的热点代码，有效的减少了对主存储器的指令获取数据流。相似的，在信号处理应用中，把相对较少的数据适配到L2或者本地SRAM中，可以去掉滤波器内核负载。要产生较大的影响，高速缓存不一定要实际减少DRAM申请总数量——只需要保护主要申请源不被其他任务中断，因此，编程人员能够优化主要任务。

　　当芯片设计人员无法确定将要运行在SoC中的各种任务时，则倾向于只要成本允许，提供尽可能多的高速缓存：所有CPU内核和加速器的L1高速缓存、大规模共享L2，以及越来越大的管芯L3。在热点芯片大会上，从平板电脑级应用处理器到大量的服务器SoC，有很多高速缓存的实例。

　　在低端，AMD的Kabini SoC （图1） 就是很有趣的研究。AMD资深研究员Dan Bouvier介绍了这一芯片，它包括四个Jaguar CPU内核，共享了2兆字节（MB） L2高速缓存，而每个Jaguars有32千字节（KB）指令和数据高速缓存——并不是非传统的协议。更惊奇的是芯片的图形处理器，除了常用的颜色高速缓存以及用于渲染引擎的Z缓冲，还有它自己的L1指令高速缓存和128 KB L2。

　　

　　图1.AMD的Kabini SoC目标应用是平板电脑，但是仍然采用了大规模高速缓存，显著提高了存储器带宽。

　　而在高端则是IBM的POWER8微处理器（图2），IBM首席网络设计师Jeff Stuecheli介绍了这一款芯片。这一650 mm2、22 nm芯片包括12个POWER体系结构CPU内核，每个都有32 KB指令和64 KB数据高速缓存。每个内核还有自己512 KB的SRAM L2高速缓存，12 L2共享大容量96 MB的嵌入式DRAM L3。Stuecheli介绍说，三级连续高速缓存支持每秒230吉字节（GBps）的存储器总带宽。有趣的是，芯片还含有一个小容量会话存储器。

　　

　　图2.IBM的POWER8体系结构在SoC管芯上实现了三级高速缓存。

　　在这两个SoC之间是为微软的XBOX One提供的多管芯模块（图3），微软的John Snell在大会上对此进行了介绍。模块含有一个SoC管芯，提供了丰富的存储器资源。SoC有8个AMD Jaguar内核，分成两组，每组4个。每一内核有32 KB的L1指令和数据高速缓存。每4个一组的CPU内核共享一个2 MB L2。此外，管芯上还有4个8 MB共享SRAM，它们至少为CPU提供了109 GBps的带宽。

　　

　　图3.微软的XBOX One结合了大容量高速缓存、本地SRAM以及模块内DRAM，以低成本实现了更大的带宽。