Speicherhierarchie

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Shownotes

• Rückbezug zu STP003: Logikgatter

  • damit Rechnen möglich
  • für Eingabewerte und Ausgabewerte ist ein Speicher erforderlich

• Kurzabriss zum Thema Harvard-Architektur vs. Von-Neumann-Architektur

• grundsätzliche Arten von Speichern

  • flüchtiger Speicher: braucht Strom zum Halten von Daten
  • nichtflüchtiger Speicher: behält Daten auch im ausgeschalteten Zustand
  • Der ideale Speicher wäre groß, schnell, nichtflüchtig, und beliebig oft wiederbeschreibbar.
  • da wir keinen idealen Speicher haben: Speicherhierarchie

In der folgenden Liste der verschiedenen Hierarchiestufen sind alle konkreten Zahlenwerte nur illustrative Beispielwerte für Hardware der aktuellen Generation.

• Stufe 1: Festplatte

  • nichtflüchtig, groß und günstig (ab etwa 25 Euro pro TiB)
  • Zugriffsgeschwindigkeit: 2.5 bis 10 ms (bei 3 GHz: 7,5 bis 30 Millionen Takte) plus Übertragungszeit
  • Zugriff immer mindestens in Blöcken zu 4 KiB, besonders effizient beim Zugriff auf Sequenzen aufeinanderfolgender Blöcke

• Stufe 2: SSD

  • etwas teurer als Festplatten (ab etwa 90 Euro pro TiB)
  • aber Zugriffsgeschwindigkeit: 0.05 ms (bei 3 GHz: 150.000 Takte)
  • anders als bei Festplatten schneller Wahlzugriff

• Stufe 3: Arbeitsspeicher (RAM)

  • ab hier flüchtig (Vorteil: öfter wiederbeschreibbar ohne Qualitätsverlust)
  • deutlich teurer (ab etwa 4 Euro pro GiB, entspr. ~4000 Euro pro TiB)
  • gerade deswegen meist kleiner als die nichtflüchtigen Speicher
    • übliche Größen: von 2-4 GiB bei Smartphones oder kleinen Notebooks bis mehrere TiB bei Servern
  • Zugriffsgeschwindigkeit: 15 ns Latenz plus Übertragungszeit, insgesamt z.B. 65 ns (bei 3 GHz: 200 Takte)

• Stufe 4: Cache (Zwischenspeicher) des Prozessors

  • ab hier fest in den Prozessor eingebaut
  • Abbilder von einzelnen Zeilen (je 64 Byte) aus dem Arbeitsspeicher
  • Größe: 4-16 MiB
  • Zugriffsgeschwindigkeit: 1-5 ns (bei 3 GHz: 3-15 Takte)

• Stufe 5: Registerbank des Prozessors

  • Größe: 64 bis einige 100 Byte
  • Zugriffsgeschwindigkeit: meist 1 Takt
  • nur dieser Speicher kann vom CPU direkt für Berechnungen verwendet werden

• andere mögliche Hierarchiestufen

  • Stufe 0: Speicher auf anderen Computern im Netzwerk
  • Stufe 2,5: nichtflüchtiger RAM (noch nicht weitverbreitet)

• Speicher aus Sicht des Programmierers

  • Abstraktion: lineare Kette von bytegroßen Speicherzellen, die fortlaufend nummeriert sind (Speicheradressen)
  • Probleme mit dieser Abstraktion:
    • kleinste sinnvolle Schreibmengen (4/8 Bytes bei Registern, 64 Bytes bei RAM, 4 KiB bei Festplatte/SSD)
    • Caching-Verhalten
  • Einfluss auf effizientes Rechnen: viel wichtiger als schnelles Rechnen ist lokales Rechnen
  • Beispiel: Repräsentation von 2D-Feldern (z.B. Grafiken) und effizientes Bearbeiten derselben

• Quelle: "What every programmer should know about memory"