摩爾定律還能走多遠？—— CPU 的內(nèi)存瓶頸

　　在2002年之前，隨著芯片密度的增加， CPU的時鐘頻率也一直不斷增加。 對于普通消費者而言，CPU 的頻率就代表計算機的快慢。 1981年最早出廠的 IBM PC， CPU 的頻率是 4.77 兆赫， 相當(dāng)于一秒鐘四百七十七萬個時鐘周期。 假設(shè) CPU 一個時鐘周期可以運行一條指令， 頻率越高， 就算得越快。

　　1995年的奔騰芯片，時鐘頻率達到了 100 兆赫， 是 1980年的二十倍還多。

　　而到了 2002年， 英特爾新型奔騰芯片時鐘頻率第一次突破 3000 兆赫 (3 GHz)。

　　限制時鐘頻率的第一個主要物理約束條件是： 信號在晶體管之間傳輸?shù)倪t滯。 這也是為什么晶體管密度越大，時鐘頻率可以越高。

　　2002年之后， CPU 時鐘頻率增加遇到了第二個技術(shù)瓶頸： 能量消耗。

　　簡單說， CPU的能量消耗和時鐘頻率的三次方近似成正比， 在 3 Ghz 之后， 頻率的繼續(xù)提高會使芯片過熱而面臨被燒毀的風(fēng)險。

　　實際上， 2002 年之后， 英特爾CPU 的時鐘頻率大多一直在 2 GHz - 4 GHz 之間， 十四年來沒有本質(zhì)提高。

　　但時鐘頻率不再增長， 并不意味著 CPU 性能的停滯不前。 就像人類的大腦， 過去二十萬年沒有本質(zhì)變化， 但并不意味著人類文明不會發(fā)生開天辟地的進步。

　　這時候，最有用的思路，是尋找新的維度，去進攻解決問題。

　　(2)

　　如果說， CPU的時鐘速度好比人腦的計算速度， 那么 CPU 的內(nèi)存讀取速度就好比人獲取信息的速度。 這是提升 CPU 性能的第一個不同的維度。

　　有過基本工作或者研究經(jīng)驗的人，都會有這樣的體會：

　　大多數(shù)時候，限制工作效率的瓶頸是： 查資料，找東西。

　　找不到就只能干著急。

　　二十年前的科研者，查資料要去圖書館，小圖書館沒有資料就要去更大的圖書館，沒有計算機檢索之前需要一張張翻卡片查。 查找資料的時間，動輒就是幾個小時甚至更多，超過了真正研究分析的時間。 這和今天，十秒鐘內(nèi)就可以在互聯(lián)網(wǎng)上，精準(zhǔn)搜索和下載世界上大部分論文資料，完全不可同日而語。

　　電腦的內(nèi)存架構(gòu)，實際上要細分為 Register (寄存器)， Cache (高速緩存)， Memory(內(nèi)存)， Disk (硬盤)。 而緩存又可以細分為一級緩存 (Level 1 Cache)， 二級緩存， 三級緩存， 甚至四級緩存。

　　打個比方， 寄存器上的數(shù)據(jù)，好比你手中那張紙上寫的信息， 信息量很少，但立等可取。

　　一級緩存， 好比桌面上的書， 信息量多一些， 伸一下手可以拿到;

　　二級緩存， 好比抽屜里的書，打開抽屜后仍然很快可以拿到;

　　內(nèi)存， 好比書架上的書， 要站起來去查找;

　　硬盤， 就是圖書館的資料，需要花幾個小時到外面跑一趟才可以查到了。

　　研究者，如果無法迅速獲取需要的資料，天天要往圖書館跑，即使牛頓/愛因斯坦再世， 聰明的腦瓜也只能像高速的 CPU 一樣， 無效地空轉(zhuǎn)， 痛苦地在來去圖書館的道路上等待。

　　以 Intel 的 i7-4770 CPU 為例， 其時鐘頻率 3.4 GHz. 一級和二級緩存，讀取數(shù)據(jù)的延遲一般在 5 - 12個時鐘周期，相當(dāng)于約 2-4 納秒。如果要到內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)， 遲滯則約 70 納秒， 等價于200多個時鐘周期。 如果內(nèi)存找不到， 不幸地要去硬盤搜索，延遲超過 4 毫秒 (等價于四百萬納秒)，再快的 CPU 時鐘頻率， 此時也然并卵矣。