现代计算机的性能暴涨,真的非常非常近了……

2018年了,互联网人的探照灯都扫向人工智能、物联网、智能硬件...

但是在摸宝前,发起这一切革命的源头,计算机,它还远未演进到它真正的终极形态。

最早的计算机器仅内含固定用途的程序,例如一个计算器仅有固定的数学计算程序,它不能拿来当作文字处理软件,更不能拿来玩游戏。简单来说,就是它的运算程序是固定的,无法更改。

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冯·诺伊曼在上个世纪的40年代提出的革命性冯·诺伊曼结构,借由创造一组指令集结构,并将所谓的运算转化成一串程序指令的运行细节。把运算程序存在机器的存储器中,程序设计员只需要在存储器中寻找运算指令,机器就会自行计算,这样就不必每个问题都重新编程。

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从此,它不再是死的,固定用途的计算器,而是可以自由编程的计算机了!

这其中革命性的新思想就是存储器概念的提出,可以变更的程序和数据都放在存储器里,所谓的冯·诺伊曼结构也叫存储程序型电脑

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而如果你知道现代计算机依然沿用着上个世纪40年代提出的冯·诺伊曼结构,这种将存储设备与中央处理器分开的所谓存储程序计算机,它发展到今天,有个非常搞笑的情况,或者说天然缺陷:

CPU,即中央处理器异常强大,它根本喂不饱,大部分时间都在等待内存搬进搬出数据和指令

阮一峰在他的博客里解释CPU寄存器和内存的速度差异的时候,写到:

以3GHz的CPU为例,电流每秒钟可以振荡30亿次,每次耗时大约为0.33纳秒。光在1纳秒的时间内,可以前进30厘米。也就是说,在CPU的一个时钟周期内,光可以前进10厘米。因此,如果内存距离CPU超过5厘米,就不可能在一个时钟周期内完成数据的读取,这还没有考虑硬件的限制和电流实际上达不到光速。相比之下,寄存器在CPU内部,当然读起来会快一点。

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我们敬畏的宇宙最大的光速,在这里也成了限制!

而为了应对这种情况,现代计算机的存储器成为了一个多层次的架构。

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CPU寄存器-CPU缓存-内存-硬盘-云端存储。从10毫秒到1纳秒的延迟....这个差距,跳跃了几个数量级!

每一级的速度、硬件实现、成本都不同,越往上速度越快、容量越小、成本越高。就像一个逐渐升高的阶梯,数据和指令都要一级一级地攀爬。如果谁能将这个阶梯削平,统一成一个跟得上CPU的高速率,他将真正名垂青史。

而在这个阶梯里,即使随便统一两个三个阶梯,创造的效益和带来的市场机会,也难以想象的巨大!

比如内存和硬盘,DRAM内存作为易失性存储,需要不断刷新,断电就会丢失数据,机械硬盘和固态硬盘作为非易失性存储,断电不丢失数据,容量大、成本低、速度却小得多,业界的努力方向就是将DRAM内存和硬盘统一,目前也是最有希望的方向。

比如intel推出的 Optane 傲腾,就是介于内存和SSD硬盘的一个中间形态。不像内存一样断电就丢失数据,却能够接近内存的读取速度。并非普通的SSD,虽然目前其外型依然以SSD的形式封装。Intel Optane 傲腾一经推出,就引发了数据中心的存储换代风潮。

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Intel 的官方说明里,使用了3D Xpoint 技术的Optane ,有着比肩DRAM内存的速度,比使用了NAND颗粒的固态硬盘速度提高了1000倍。同时也具备固态硬盘常用的NAND颗粒断电不丢失数据的特性,而同样容量价格却比DRAM内存小得多,与NAND看齐。

Optane 傲腾 目前还只推出了第一代,假以时日,它若可以取代内存,在消费级PC上将内存和硬盘统一,在联想电脑上你就可以看到极大地性能提升。远比CPU的更新要给力。

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最后总结一下,计算机的未来演进方向,一个是冯·诺伊曼架构下消除多级存储器的速率和容量差异,还有一个,就是彻底颠覆冯·诺伊曼架构,比如量子计算机、神经计算机,目前它们也已初具雏形。这一部分,下一篇文章我们再来细谈。


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