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知道硬盘很慢，没想到比CPU Cache慢10000000倍( 三 )


DRAM 存储一个 bit 数据 ， 只需要一个晶体管和一个电容就能存储 ， 但是因为数据会被存储在电容里 ， 电容会不断漏电 ， 所以需要「定时刷新」电容 ， 才能保证数据不会被丢失 ， 这就是 DRAM 之所以被称为「动态」存储器的原因 ， 只有不断刷新 ， 数据才能被存储起来 。
DRAM 的数据访问电路和刷新电路都比 SRAM 更复杂 ， 所以访问的速度会更慢 ， 内存速度大概在 200~300 个 时钟周期之间 。
SSD/HDD 硬盘SSD（Solid-state disk） 就是我们常说的固体硬盘 ， 结构和内存类似 ， 但是它相比内存的优点是断电后数据还是存在的 ， 而内存、寄存器、高速缓存断电后数据都会丢失 。 内存的读写速度比 SSD 大概快 10~1000 倍 。
当然 ， 还有一款传统的硬盘 ， 也就是机械硬盘（Hard Disk Drive, HDD） ， 它是通过物理读写的方式来访问数据的 ， 因此它访问速度是非常慢的 ， 它的速度比内存慢 10W 倍左右 。
由于 SSD 的价格快接近机械硬盘了 ， 因此机械硬盘已经逐渐被 SSD 替代了 。
存储器的层次关系现代的一台计算机 ， 都用上了 CPU Cahce、内存、到 SSD 或 HDD 硬盘这些存储器设备了 。
其中 ， 存储空间越大的存储器设备 ， 其访问速度越慢 ， 所需成本也相对越少 。
CPU 并不会直接和每一种存储器设备直接打交道 ， 而是每一种存储器设备只和它相邻的存储器设备打交道 。
比如 ， CPU Cache 的数据是从内存加载过来的 ， 写回数据的时候也只写回到内存 ， CPU Cache 不会直接把数据写到硬盘 ， 也不会直接从硬盘加载数据 ， 而是先加载到内存 ， 再从内存加载到 CPU Cache 中 。
知道硬盘很慢，没想到比CPU Cache慢10000000倍文章插图
所以 ， 每个存储器只和相邻的一层存储器设备打交道 ， 并且存储设备为了追求更快的速度 ， 所需的材料成本必然也是更高 ， 也正因为成本太高 ， 所以 CPU 内部的寄存器、L1\L2\L3 Cache 只好用较小的容量 ， 相反内存、硬盘则可用更大的容量 ， 这就我们今天所说的存储器层次结构 。
另外 ， 当 CPU 需要访问内存中某个数据的时候 ， 如果寄存器有这个数据 ， CPU 就直接从寄存器取数据即可 ， 如果寄存器没有这个数据 ， CPU 就会查询 L1 高速缓存 ， 如果 L1 没有 ， 则查询 L2 高速缓存 ， L2 还是没有的话就查询 L3 高速缓存 ， L3 依然没有的话 ， 才去内存中取数据 。
知道硬盘很慢，没想到比CPU Cache慢10000000倍文章插图
所以 ， 存储层次结构也形成了缓存的体系 。
存储器之间的实际价格和性能差距前面我们知道了 ， 速度越快的存储器 ， 造价成本往往也越高 ， 那我们就以实际的数据来看看 ， 不同层级的存储器之间的性能和价格差异 。
下面这张表格是不同层级的存储器之间的成本对比图：
知道硬盘很慢，没想到比CPU Cache慢10000000倍文章插图
你可以看到 L1 Cache 的访问延时是 1 纳秒 ， 而内存已经是 100 纳秒了 ， 相比 L1 Cache 速度慢了 100 倍 。 另外 ， 机械硬盘的访问延时更是高达 10 毫秒 ， 相比 L1 Cache 速度慢了 10000000 倍 ， 差了好几个数量级别 。
在价格上 ， 每生产 MB 大小的 L1 Cache 相比内存贵了 466 倍 ， 相比机械硬盘那更是贵了 175000 倍 。
我在某东逛了下各个存储器设备的零售价 ， 8G 内存 + 1T 机械硬盘 + 256G 固态硬盘的总价格 ， 都不及一块 Intle i5-10400 的 CPU 的价格 ， 这款 CPU 的高速缓存的总大小也就十多 MB 。
总结各种存储器之间的关系 ， 可以用我们在图书馆学习这个场景来理解 。
CPU 可以比喻成我们的大脑 ， 我们当前正在思考和处理的知识的过程 ， 就好比 CPU 中的寄存器处理数据的过程 ， 速度极快 ， 但是容量很小 。 而 CPU 中的 L1-L3 Cache 好比我们大脑中的短期记忆和长期记忆 ， 需要小小花费点时间来调取数据并处理 。


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