什么是von Neumann瓶頸？

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引言von Neumann瓶頸是由標準個人計算機架構引起的吞吐量限制。該術語以John von Neumann命名，他發(fā)展了現(xiàn)代計算機架構背后的理論。早期的計算機在運行時被饋送程序和數(shù)據(jù)進行處理。
& t3 E% Z" I2 |$ {1945年，von Neumann提出了基于存儲程序計算機概念的計算機設計，其中程序指令和數(shù)據(jù)都保存在內存中。這種模型被稱為von Neumann架構，有時也稱為Princeton架構，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。
在von Neumann架構中，計算機的主要組件包括中央處理器（CPU）、內存單元和輸入輸出設備。CPU包含控制單元、算術邏輯單元和寄存器。處理器和內存是獨立的組件，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)。





系統(tǒng)總線用于在構成von Neumann架構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)。
% K3 u- B& E  `* d與這些改進相比，CPU和內存之間的傳輸速率僅取得了適度的進展。結果，處理器花費更多的時間處于空閑狀態(tài)，等待從內存中獲取數(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進行重大改變才能克服的問題。即便如此，人們已經進行了許多嘗試來解決現(xiàn)有結構的限制：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核共享，最大、最慢、最便宜。L2緩存介于兩者之間。


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。
/ F2 H0 o" r/ [( h/ `7 q2 t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。
: p8 W8 j3 x) M; Q: Q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。
4 g( t% {0 J: i) e1 b" L新型RAM。RAM技術的當前發(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是內存中處理，它將處理器和內存集成在一個微芯片中。
硬件加速。處理被轉移到其他硬件設備，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。移動設備和嵌入式系統(tǒng)廣泛使用SoC技術。然而，這項技術現(xiàn)在正在進入計算機行業(yè)，蘋果芯片引領潮流。
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參考來源https://www.techtarget.com/whatis/definition/von-Neumann-bottleneck.

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