什么是von Neumann瓶頸？

逍遙設(shè)計自動化

引言von Neumann瓶頸是由標準個人計算機架構(gòu)引起的吞吐量限制。該術(shù)語以John von Neumann命名，他發(fā)展了現(xiàn)代計算機架構(gòu)背后的理論。早期的計算機在運行時被饋送程序和數(shù)據(jù)進行處理。
+ I1 Y" \2 S% a6 V1945年，von Neumann提出了基于存儲程序計算機概念的計算機設(shè)計，其中程序指令和數(shù)據(jù)都保存在內(nèi)存中。這種模型被稱為von Neumann架構(gòu)，有時也稱為Princeton架構(gòu)，成為了許多后續(xù)計算機的標準，并且在今天的大多數(shù)系統(tǒng)中仍然被使用。
5 W5 ?/ T" \% k# O+ Q0 k/ s在von Neumann架構(gòu)中，計算機的主要組件包括中央處理器（CPU）、內(nèi)存單元和輸入輸出設(shè)備。CPU包含控制單元、算術(shù)邏輯單元和寄存器。處理器和內(nèi)存是獨立的組件，數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)總線在它們之間移動。內(nèi)存單元，通常稱為主存或主存儲器，存儲程序指令和數(shù)據(jù)。
2 Q6 |0 R) b7 b7 y

# b! j8 j6 n' l/ U


系統(tǒng)總線用于在構(gòu)成von Neumann架構(gòu)的組件之間傳輸所有數(shù)據(jù)，隨著工作負載的變化和數(shù)據(jù)集的增大，這成為了一個越來越大的瓶頸。多年來，計算機組件不斷發(fā)展，以試圖滿足這些不斷變化的工作負載的需求。例如，處理器速度明顯加快，內(nèi)存支持更高的密度，使得可以在更小的空間中存儲更多的數(shù)據(jù)。
# p* w1 u* }  }- k# p與這些改進相比，CPU和內(nèi)存之間的傳輸速率僅取得了適度的進展。結(jié)果，處理器花費更多的時間處于空閑狀態(tài)，等待從內(nèi)存中獲取數(shù)據(jù)。無論給定的處理器工作速度有多快，它都會受到系統(tǒng)總線允許的傳輸速率的限制。更快的處理器通常意味著它將花費更多的時間處于空閑狀態(tài)。
克服von Neumann瓶頸von Neumann瓶頸通常被認為是一個只能通過對計算機或處理器架構(gòu)進行重大改變才能克服的問題。即便如此，人們已經(jīng)進行了許多嘗試來解決現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的限制：緩存。解決瓶頸的一種常見方法是在CPU中添加緩存。在典型的緩存配置中，L1、L2和L3緩存級別位于處理器內(nèi)核和主存之間，以幫助加速操作。L1緩存最小、最快、最昂貴。L3緩存由多個處理器內(nèi)核共享，最大、最慢、最便宜。L2緩存介于兩者之間。


2 T* R6 g) e" m/ \預取。預期將首先使用的指令和數(shù)據(jù)被預先獲取到緩存中，以便在需要時立即可用。
推測執(zhí)行。處理器在被提示執(zhí)行特定任務之前執(zhí)行這些任務，以便在需要時信息已經(jīng)準備好。推測執(zhí)行使用分支預測來估計哪些指令可能首先需要。
多線程。處理器同時管理多個請求，同時在線程之間切換執(zhí)行。多線程過程通常發(fā)生得非�？�，以至于線程看起來象是同時運行的。
新型RAM。RAM技術(shù)的當前發(fā)展有望通過更快地將數(shù)據(jù)送入總線來幫助解決至少一部分瓶頸問題。新興的發(fā)展領(lǐng)域包括電阻式RAM、磁性RAM、鐵電RAM和自旋傳遞扭矩RAM。
近數(shù)據(jù)處理。通過NDP，內(nèi)存和存儲通過增強的處理能力來幫助提高性能，同時減少對系統(tǒng)總線的依賴。一種類型的NDP是內(nèi)存中處理，它將處理器和內(nèi)存集成在一個微芯片中。
% Y' o, o$ k/ X硬件加速。處理被轉(zhuǎn)移到其他硬件設(shè)備，以減少CPU的負載和對系統(tǒng)總線的依賴。常見的硬件加速類型包括GPU、專用集成電路和現(xiàn)場可編程門陣列。
片上系統(tǒng)。單個芯片包含處理、內(nèi)存和其他系統(tǒng)資源，消除了系統(tǒng)總線上的大部分數(shù)據(jù)傳輸。移動設(shè)備和嵌入式系統(tǒng)廣泛使用SoC技術(shù)。然而，這項技術(shù)現(xiàn)在正在進入計算機行業(yè)，蘋果芯片引領(lǐng)潮流。
% V3 G. v! t* G0 G7 v# w( I
參考來源https://www.techtarget.com/whatis/definition/von-Neumann-bottleneck.
7 V, e1 s$ L2 V  v, m! K
- END -

軟件申請我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請體驗免費版PIC Studio軟件。無論是研究還是商業(yè)應用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
/ [& h8 s" U. S! X1 s1 V點擊左下角"閱讀原文"馬上申請

1 q: d# r: ^; Y4 R$ u歡迎轉(zhuǎn)載
0 L- q7 K- J/ S% Y5 R# V
* u, W  G/ J$ V* ~( d% x轉(zhuǎn)載請注明出處，請勿修改內(nèi)容和刪除作者信息！



( N/ D+ n& I) u3 U) ~

關(guān)注我們
* N, u2 R% k( q5 a

; k8 h$ }1 k8 h- W3 N! ^ 6 v. V" I( X" ?' p

4 ^4 R; W2 a" N

, T3 ?# D6 K0 p/ E7 F

                     
7 k4 i8 W; y* e) U$ D) |


5 O( T0 `/ v, u$ S/ _

9 n* @3 Y$ X/ k
) Q# x0 }- v- Z3 G關(guān)于我們：
' k4 L" H' @7 @# Y+ Z. O  _深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導體芯片設(shè)計自動化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對光電芯片、微機電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計與仿真。我們提供特色工藝的半導體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務，廣泛服務于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動特色工藝半導體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務。

. m- q7 {( ]$ a) m2 b$ B' Uhttp://www.latitudeda.com/
（點擊上方名片關(guān)注我們，發(fā)現(xiàn)更多精彩內(nèi)容）