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(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。
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(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。
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)。



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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)。
( \2 D- H  a( e) d) Y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)。
/ N# |, L4 U- ]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。


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。
硬件加速。處理被轉(zhuǎn)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(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。

( Z7 L( g& r( }) |9 L9 X* F參考來源https://www.techtarget.com/whatis/definition/von-Neumann-bottleneck.
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