天才冯·诺依曼与冯·诺依曼瓶颈

Posted 2021-01-25 doit8791

天才 冯·诺依曼

冯·诺依曼1903年12月28日出生于奥匈帝国布达佩斯，1957年2月8日卒于美国，终年53岁。在他短暂的一生中，他取得了巨大的成就，远不止于世人熟知的“冯·诺依曼架构”。

约翰·冯·诺伊曼，出生于匈牙利的美国籍犹太人数学家，现代电子计算机与博弈论的重要创始人，在泛函分析、遍历理论、几何学、拓扑学和数值分析等众多数学领域及计算机学、量子力学和经济学中都有重大贡献。

-- 约翰·冯·诺伊曼的维基百科

除了对计算机科学的贡献，他还有一个称号不被大众所熟知：“博弈论之父”。博弈论被认为是20世纪经济学最伟大的成果之一。(说到博弈论，我相信大多数人第一个想到的肯定跟我一样，那就是“纳什均衡”)

冯·诺依曼架构

冯·诺依曼由于在曼哈顿工程中需要大量的运算，从而使用了当时最先进的两台计算机 Mark I 和 ENIAC，在使用 Mark I 和 ENIAC 的过程中，他意识到了存储程序的重要性，从而提出了存储程序逻辑架构。

“冯·诺依曼架构”定义如下：

1. 以运算单元为中心
2. 采用存储程序原理
3. 存储器是按地址访问、线性编址的空间
4. 控制流由指令流产生
5. 指令由操作码和地址码组成
6. 数据以二进制编码

优势

冯·诺依曼架构第一次将存储器和运算器分开，指令和数据均放置于存储器中，为计算机的通用性奠定了基础。虽然在规范中计算单元依然是核心，但冯·诺依曼架构事实上导致了以存储器为核心的现代计算机的诞生。

注：请各位在心里明确一件事情：存储器指的是内存，即 RAM。磁盘理论上属于输入输出设备。

该架构的另一项重要贡献是用二进制取代十进制，大幅降低了运算电路的复杂度。这为晶体管时代超大规模集成电路的诞生提供了最重要的基础，让我们实现了今天手腕上的 Apple Watch 运算性能远超早期大型计算机的壮举，这也是摩尔定律得以实现的基础。

冯·诺伊曼瓶颈

冯·诺依曼架构为计算机大提速铺平了道路，却也埋下了一个隐患：在内存容量指数级提升以后，CPU 和内存之间的数据传输带宽成为了瓶颈。

上图是 i9-7980XE 18 核 36 线程的民用最强 CPU，其配合超频过的 DDR4 3200MHz 的内存，测试出的内存读取速度为 90GB/S。看起来很快了是不是？看看图中的 L1 Cache，3.7TB/S。

我们再来算算时间。这颗 CPU 最大睿频 4.4GHz，就是说 CPU 执行一个指令需要的时间是 0.000000000227273 秒，即 0.22ns（纳秒），而内存的延迟是 68.1ns。换句话说，只要去内存里取一个字节，就需要 CPU 等待 300 个周期，何其的浪费 CPU 的时间啊。

CPU L1 L2 L3 三级缓存是使用和 CPU 同样的 14 纳米工艺制造的硅半导体，每一个 bit 都使用六个场效应管（通俗解释成三极管）构成，成本高昂且非常占用 CPU 核心面积，故不能做成很大容量。

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