September 02, 2021

STP007: Speicherhierarchie

1 hour 2 minutes

Für große Teile der Anwender liegt sie im Verborgenen. Versteckt unter Plastik- und Metallgehäusen ist die Welt der Speicher ein ebenso fremder wie faszinierender Ort. Doch auch hier herscht eine strenge Rangordnung, bestimmt allein von Geschwindigkeit und Ausdauer. Hört selbst, welch beschwerlicher Weg sich auftut, wenn Bits sich auf die Reise machen, um verarbeitet zu werden.

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"

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By Xyrillian Noises

September 02, 2021

STP007: Speicherhierarchie

1 hour 2 minutes

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

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