在存储器的层次结构里，谁最快，谁最贵，谁最大？
來源 | 小林coding
責編?| 寇雪芹
頭圖?|?下載于視覺中國
前言
大家如果想自己組裝電腦的話，肯定需要購買一個 CPU，但是存儲器方面的設(shè)備，分類比較多，那我們肯定不能只買一種存儲器，比如你除了要買內(nèi)存，還要買硬盤，而針對硬盤我們還可以選擇是固態(tài)硬盤還是機械硬盤。
相信大家都知道內(nèi)存和硬盤都屬于計算機的存儲設(shè)備，斷電后內(nèi)存的數(shù)據(jù)是會丟失的，而硬盤則不會，因為硬盤是持久化存儲設(shè)備，同時也是一個 I/O 設(shè)備。
但其實 CPU 內(nèi)部也有存儲數(shù)據(jù)的組件，這個應(yīng)該比較少人注意到，比如寄存器、CPU L1/L2/L3 Cache 也都是屬于存儲設(shè)備，只不過它們能存儲的數(shù)據(jù)非常小，但是它們因為靠近 CPU 核心，所以訪問速度都非常快，快過硬盤好幾個數(shù)量級別。
問題來了，那機械硬盤、固態(tài)硬盤、內(nèi)存這三個存儲器，到底和 CPU L1 Cache 相比速度差多少倍呢？
在回答這個問題之前，我們先來看看「存儲器的層次結(jié)構(gòu)」，好讓我們對存儲器設(shè)備有一個整體的認識。
存儲器的層次結(jié)構(gòu)
我們想象中一個場景，大學(xué)期末準備考試了，你前去圖書館臨時抱佛腳。那么，在看書的時候，我們的大腦會思考問題，也會記憶知識點，另外我們通常也會把常用的書放在自己的桌子上，當我們要找一本不常用的書，則會去圖書館的書架找。
就是這么一個小小的場景，已經(jīng)把計算機的存儲結(jié)構(gòu)基本都涵蓋了。
我們可以把 CPU 比喻成我們的大腦，大腦正在思考的東西，就好比 CPU 中的寄存器，處理速度是最快的，但是能存儲的數(shù)據(jù)也是最少的，畢竟我們也不能一下同時思考太多的事情，除非你練過。
我們大腦中的記憶，就好比 CPU Cache，中文稱為 CPU 高速緩存，處理速度相比寄存器慢了一點，但是能存儲的數(shù)據(jù)也稍微多了一些。
CPU Cache 通常會分為 L1、L2、L3 三層，其中 L1 Cache 通常分成「數(shù)據(jù)緩存」和「指令緩存」，L1 是距離 CPU 最近的，因此它比 L2、L3 的讀寫速度都快、存儲空間都小。我們大腦中短期記憶，就好比 L1 Cache，而長期記憶就好比 L2/L3 Cache。
寄存器和 CPU Cache 都是在 CPU 內(nèi)部，跟 CPU 挨著很近，因此它們的讀寫速度都相當?shù)目?#xff0c;但是能存儲的數(shù)據(jù)很少，畢竟 CPU 就這么丁點大。
知道 CPU 內(nèi)部的存儲器的層次分布，我們放眼看看 CPU 外部的存儲器。
當我們大腦記憶中沒有資料的時候，可以從書桌或書架上拿書來閱讀，那我們桌子上的書，就好比內(nèi)存，我們雖然可以一伸手就可以拿到，但讀寫速度肯定遠慢于寄存器，那圖書館書架上的書，就好比硬盤，能存儲的數(shù)據(jù)非常大，但是讀寫速度相比內(nèi)存差好幾個數(shù)量級，更別說跟寄存器的差距了。
我們從圖書館書架取書，把書放到桌子上，再閱讀書，我們大腦就會記憶知識點，然后再經(jīng)過大腦思考，這一系列過程相當于，數(shù)據(jù)從硬盤加載到內(nèi)存，再從內(nèi)存加載到 CPU 的寄存器和 Cache 中，然后再通過 CPU 進行處理和計算。
對于存儲器，它的速度越快、能耗會越高、而且材料的成本也是越貴的，以至于速度快的存儲器的容量都比較小。
CPU 里的寄存器和 Cache，是整個計算機存儲器中價格最貴的，雖然存儲空間很小，但是讀寫速度是極快的，而相對比較便宜的內(nèi)存和硬盤，速度肯定比不上 CPU 內(nèi)部的存儲器，但是能彌補存儲空間的不足。
存儲器通常可以分為這么幾個級別：
寄存器；
CPU Cache；
L1-Cache；
L2-Cache；
L3-Cahce；
內(nèi)存；
SSD/HDD 硬盤
? 寄存器
最靠近 CPU 的控制單元和邏輯計算單元的存儲器，就是寄存器了，它使用的材料速度也是最快的，因此價格也是最貴的，那么數(shù)量不能很多。
存儲器的數(shù)量通常在幾十到幾百之間，每個寄存器可以用來存儲一定的字節(jié)（byte）的數(shù)據(jù)。比如：
32 位 CPU 中大多數(shù)寄存器可以存儲 4 個字節(jié)；
64 位 CPU 中大多數(shù)寄存器可以存儲 8 個字節(jié)。
寄存器的訪問速度非常快，一般要求在半個 CPU 時鐘周期內(nèi)完成讀寫，CPU 時鐘周期跟 CPU 主頻息息相關(guān)，比如 2 GHz 主頻的 CPU，那么它的時鐘周期就是 1/2G，也就是 0.5ns（納秒）。
CPU 處理一條指令的時候，除了讀寫寄存器，還需要解碼指令、控制指令執(zhí)行和計算。如果寄存器的速度太慢，則會拉長指令的處理周期，從而給用戶的感覺，就是電腦「很慢」。
??CPU Cache
CPU Cache 用的是一種叫 SRAM（Static Random-Access Memory，靜態(tài)隨機存儲器） 的芯片。
SRAM 之所以叫「靜態(tài)」存儲器，是因為只要有電，數(shù)據(jù)就可以保持存在，而一旦斷電，數(shù)據(jù)就會丟失了。
在 SRAM 里面，一個 bit 的數(shù)據(jù)，通常需要 6 個晶體管，所以 SRAM 的存儲密度不高，同樣的物理空間下，能存儲的數(shù)據(jù)是有限的，不過也因為 SRAM 的電路簡單，所以訪問速度非常快。
CPU 的高速緩存，通常可以分為 L1、L2、L3 這樣的三層高速緩存，也稱為一級緩存、二次緩存、三次緩存。
??L1 高速緩存
L1 高速緩存的訪問速度幾乎和寄存器一樣快，通常只需要 2~4 個時鐘周期，而大小在幾十 KB 到幾百 KB 不等。
每個 CPU 核心都有一塊屬于自己的 L1 高速緩存，指令和數(shù)據(jù)在 L1 是分開存放的，所以 L1 高速緩存通常分成指令緩存和數(shù)據(jù)緩存。
在 Linux 系統(tǒng)，我們可以通過這條命令，查看 CPU 里的 L1 Cache 「數(shù)據(jù)」緩存的容量大小：
$?cat?/sys/devices/system/cpu/cpu0/cache/index0/size 32K而查看 L1 Cache 「指令」緩存的容量大小，則是：
$?cat?/sys/devices/system/cpu/cpu0/cache/index1/size 32K??L2 高速緩存
L2 高速緩存同樣每個 CPU 核心都有，但是 L2 高速緩存位置比 L1 高速緩存距離 CPU 核心 更遠，它大小比 L1 高速緩存更大，CPU 型號不同大小也就不同，通常大小在幾百 KB 到幾 MB 不等，訪問速度則更慢，速度在 10~20 個時鐘周期。
在 Linux 系統(tǒng)，我們可以通過這條命令，查看 CPU 里的 L2 Cache 的容量大小：
$?cat?/sys/devices/system/cpu/cpu0/cache/index2/size 256K??L3 高速緩存
L3 高速緩存通常是多個 CPU 核心共用的，位置比 L2 高速緩存距離 CPU 核心 更遠，大小也會更大些，通常大小在幾 MB 到幾十 MB 不等，具體值根據(jù) CPU 型號而定。
訪問速度相對也比較慢一些，訪問速度在 20~60個時鐘周期。
在 Linux 系統(tǒng)，我們可以通過這條命令，查看 CPU 里的 L3 Cache 的容量大小：
$?cat?/sys/devices/system/cpu/cpu0/cache/index3/size? 3072K??內(nèi)存
內(nèi)存用的芯片和 CPU Cache 有所不同，它使用的是一種叫作 DRAM （Dynamic Random Access Memory，動態(tài)隨機存取存儲器） 的芯片。
相比 SRAM，DRAM 的密度更高，功耗更低，有更大的容量，而且造價比 SRAM 芯片便宜很多。
DRAM 存儲一個 bit 數(shù)據(jù)，只需要一個晶體管和一個電容就能存儲，但是因為數(shù)據(jù)會被存儲在電容里，電容會不斷漏電，所以需要「定時刷新」電容，才能保證數(shù)據(jù)不會被丟失，這就是 DRAM 之所以被稱為「動態(tài)」存儲器的原因，只有不斷刷新，數(shù)據(jù)才能被存儲起來。
DRAM 的數(shù)據(jù)訪問電路和刷新電路都比 SRAM 更復(fù)雜，所以訪問的速度會更慢，內(nèi)存速度大概在 200~300 個 時鐘周期之間。
??SSD/HDD 硬盤
SSD（Solid-state disk） 就是我們常說的固體硬盤，結(jié)構(gòu)和內(nèi)存類似，但是它相比內(nèi)存的優(yōu)點是斷電后數(shù)據(jù)還是存在的，而內(nèi)存、寄存器、高速緩存斷電后數(shù)據(jù)都會丟失。內(nèi)存的讀寫速度比 SSD 大概快 10~1000 倍。
當然，還有一款傳統(tǒng)的硬盤，也就是機械硬盤（Hard Disk Drive, HDD），它是通過物理讀寫的方式來訪問數(shù)據(jù)的，因此它訪問速度是非常慢的，它的速度比內(nèi)存慢 10W 倍左右。
由于 SSD 的價格快接近機械硬盤了，因此機械硬盤已經(jīng)逐漸被 SSD 替代了。
存儲器的層次關(guān)系
現(xiàn)代的一臺計算機，都用上了 CPU Cahce、內(nèi)存、到 SSD 或 HDD 硬盤這些存儲器設(shè)備了。
其中，存儲空間越大的存儲器設(shè)備，其訪問速度越慢，所需成本也相對越少。
CPU 并不會直接和每一種存儲器設(shè)備直接打交道，而是每一種存儲器設(shè)備只和它相鄰的存儲器設(shè)備打交道。
比如，CPU Cache 的數(shù)據(jù)是從內(nèi)存加載過來的，寫回數(shù)據(jù)的時候也只寫回到內(nèi)存，CPU Cache 不會直接把數(shù)據(jù)寫到硬盤，也不會直接從硬盤加載數(shù)據(jù)，而是先加載到內(nèi)存，再從內(nèi)存加載到 CPU Cache 中。
所以，每個存儲器只和相鄰的一層存儲器設(shè)備打交道，并且存儲設(shè)備為了追求更快的速度，所需的材料成本必然也是更高，也正因為成本太高，所以 CPU 內(nèi)部的寄存器、L1\L2\L3 Cache 只好用較小的容量，相反內(nèi)存、硬盤則可用更大的容量，這就我們今天所說的存儲器層次結(jié)構(gòu)。
另外，當 CPU 需要訪問內(nèi)存中某個數(shù)據(jù)的時候，如果寄存器有這個數(shù)據(jù)，CPU 就直接從寄存器取數(shù)據(jù)即可，如果寄存器沒有這個數(shù)據(jù)，CPU 就會查詢 L1 高速緩存，如果 L1 沒有，則查詢 L2 高速緩存，L2 還是沒有的話就查詢 L3 高速緩存，L3 依然沒有的話，才去內(nèi)存中取數(shù)據(jù)。
所以，存儲層次結(jié)構(gòu)也形成了緩存的體系。
存儲器之間的實際價格和性能差距
前面我們知道了，速度越快的存儲器，造價成本往往也越高，那我們就以實際的數(shù)據(jù)來看看，不同層級的存儲器之間的性能和價格差異。
下面這張表格是不同層級的存儲器之間的成本對比圖：
你可以看到 L1 Cache 的訪問延時是 1 納秒，而內(nèi)存已經(jīng)是 100 納秒了，相比 L1 Cache 速度慢了 100 倍。另外，機械硬盤的訪問延時更是高達 10 毫秒，相比 L1 Cache 速度慢了 10000000 倍，差了好幾個數(shù)量級別。
在價格上，每生產(chǎn) MB 大小的 L1 Cache 相比內(nèi)存貴了 466 倍，相比機械硬盤那更是貴了 175000 倍。
我在某東逛了下各個存儲器設(shè)備的零售價，8G 內(nèi)存 + 1T 機械硬盤 + 256G 固態(tài)硬盤的總價格，都不及一塊 Intle i5-10400 的 CPU 的價格，這款 CPU 的高速緩存的總大小也就十多 MB。
總結(jié)
各種存儲器之間的關(guān)系，可以用我們在圖書館學(xué)習(xí)這個場景來理解。
CPU 可以比喻成我們的大腦，我們當前正在思考和處理的知識的過程，就好比 CPU 中的寄存器處理數(shù)據(jù)的過程，速度極快，但是容量很小。而 CPU 中的 L1-L3 Cache 好比我們大腦中的短期記憶和長期記憶，需要小小花費點時間來調(diào)取數(shù)據(jù)并處理。
我們面前的桌子就相當于內(nèi)存，能放下更多的書（數(shù)據(jù)），但是找起來和看起來就要花費一些時間，相比 CPU Cache 慢不少。而圖書館的書架相當于硬盤，能放下比內(nèi)存更多的數(shù)據(jù)，但找起來就更費時間了，可以說是最慢的存儲器設(shè)備了。
從 寄存器、CPU Cache，到內(nèi)存、硬盤，這樣一層層下來的存儲器，訪問速度越來越慢，存儲容量越來越大，價格也越來越便宜，而且每個存儲器只和相鄰的一層存儲器設(shè)備打交道，于是這樣就形成了存儲器的層次結(jié)構(gòu)。
再來回答，開頭的問題：那機械硬盤、固態(tài)硬盤、內(nèi)存這三個存儲器，到底和 CPU L1 Cache 相比速度差多少倍呢？
CPU L1 Cache 隨機訪問延時是 1 納秒，內(nèi)存則是 100 納秒，所以 CPU L1 Cache 比內(nèi)存快 100 倍左右。
SSD 隨機訪問延時是 150 微秒，所以 CPU L1 Cache 比 SSD 快 150000 倍左右。
最慢的機械硬盤隨機訪問延時已經(jīng)高達 10 毫秒，我們來看看機械硬盤到底有多「龜速」：
SSD 比機械硬盤快 70 倍左右；
內(nèi)存比機械硬盤快 100000 倍左右，即 10W 倍；
CPU L1 Cache 比機械硬盤快 10000000 倍左右，即 1000W倍；
我們把上述的時間比例差異放大后，就能非常直觀感受到它們的性能差異了。如果 CPU 訪問 L1 Cache 的緩存時間是 1 秒，那訪問內(nèi)存則需要大約 2 分鐘，隨機訪問 SSD 里的數(shù)據(jù)則需要 1.7 天，訪問機械硬盤那更久，長達近 4 個月。
可以發(fā)現(xiàn)，不同的存儲器之間性能差距很大，構(gòu)造存儲器分級很有意義，分級的目的是要構(gòu)造緩存體系。
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總結(jié)
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