Zwei Faktoren wirken Ihrer Idee entgegen:

• Die optimalen Chip-Produktionsprozesse für (D) RAM und Logik (CPU) sind unterschiedlich.Die Kombination beider Chips auf demselben Chip führt zu Kompromissen, und das Ergebnis ist weitaus weniger optimal als das, was mit separaten Chips erzielt werden kann, die jeweils mit einem eigenen optimalen Prozess erstellt wurden.

• schneller Speicher (Register) benötigt mehr Chipfläche und verbraucht mehr Strom (Energie) als langsamer Speicher.Wenn der CPU-Chip mit sehr schnellem Speicher (CPU-Geschwindigkeit) gefüllt ist, ist die Größe dieses Speichers folglich nicht annähernd so groß wie die von Ihnen erwähnten GB.Dies entspricht eher der aktuellen Größe der schnellsten On-Chip-Caches.

Auf dem CPU-Chip ist nicht genügend Platz für eine so große Speichermenge vorhanden. Der aktuelle RAM-Speicher basiert auf DIMMs mit mehreren Chips.

Die Kosten sind ebenfalls ein Problem. Der CPU-Chip-Speicherplatz ist aufgrund eines anderen Herstellungsprozesses teurer.

Zu diesem Zweck haben wir derzeit CPU-Caches (Speicher auf dem Chip), die so groß wie möglich sind.Für die meisten Zwecke ist es nicht erforderlich, diesen Cache direkt adressierbar zu machen.

Hier ist der Würfel eines i7-5960X mit einem 20 MB L3-Cache:

Quelle: https://www.anandtech.com/show/8426/the-intel-haswell-e-cpu-review-core-i7-5960x-i7-5930k-i7-5820k-tested

Ich denke, der Hauptgrund, warum dies nicht getan wurde, ist, dass die Leistung möglicherweise nicht so stark verbessert wird, wie man denkt.

1) Eine CPU mit einem großen Registersatz müsste wahrscheinlich mit einer niedrigeren Taktrate laufen als eine mit einem kleinen Registersatz.

a) Erinnerungen sind im Wesentlichen sehr große Muxes. Je größer der Mux, desto mehr Transistoren müssen beteiligt sein, um einen Zugriff durchzuführen. Je mehr Transistoren Sie benötigen, desto langsamer läuft sie, entweder weil mehr Logikstufen vorhanden sind oder weil mehr Transistoren an denselben Knoten angeschlossen sind (also höhere Kapazität). Es gibt einen Grund, warum Speicher nicht mit der gleichen Geschwindigkeit wie die CPU-Logik ausgeführt werden.

b) Das Implementieren von so viel Speicher benötigt viel Siliziumraum. Es braucht Zeit, bis sich Signale physikalisch über ein größeres Stück Silizium ausbreiten (Routing-Verzögerung). Nur weil es größer ist, ist es unwahrscheinlich, dass das Gerät mit der gleichen Geschwindigkeit wie eine physisch kleinere CPU betrieben werden kann.

2) Die binären Codierungen der Maschinenanweisungen würden viel weniger effizient sein, wenn Sie mehr Register hinzufügen. Wenn Ihre CPU beispielsweise 4 Register hat, benötigen Sie 2 Bits, um eine Registerauswahl zu codieren. Wenn Ihre CPU über 4 Milliarden 64-Bit-Register verfügt (32 GB), benötigen Sie 32 Bit, um jedes Register auszuwählen.

Nehmen wir zum Beispiel einen Befehl, der das logische ODER zweier Register berechnet und das Ergebnis in einem dritten Register speichert.

Für eine CPU mit 4 Registern müssen Sie 6 Bits reservieren, um die Operanden- und Zielauswahl zu codieren.

Für eine CPU mit 4 Milliarden Registern müssen Sie nicht 96 Bit Operandenraum verwenden, um die Registerauswahl zu codieren.

Anweisungen, die früher 16 Bit benötigten, können jetzt 128 Bit benötigen. Die Größe der Programme würde in Bezug auf die Speichernutzung viel größer werden, ohne notwendigerweise ihre Funktionalität zu erweitern.

Man könnte natürlich klug sein und einige Befehlscodierungen erstellen, die nur die ersten X-Registerpositionen verwenden, um Bits zu speichern.Aber dann sind wir wieder beim ursprünglichen Registerkonzept.



Es gibt Geräte mit Einzelzyklus-Speicherzugriff, aber sie sind Mikrocontroller oder Systeme auf einem Chip und haben normalerweise viel niedrigere Taktraten als die CPU in einem PC.Sie sind normalerweise auf einige 10s bis 100s MHz für den Speicherzugriff mit einem Zyklus beschränkt.Und selbst in diesen Fällen sind die Speichergrößen normalerweise nicht GB.

Wenn Sie einer CPU mehr Register hinzufügen, wird die Zugriffszeit immer langsamer, da Sie Logik benötigen, um beispielsweise eines von 1024 Registern anstelle eines von 16 auszuwählen.

Und Register sind schnell, weil sie meistens direkt mit verschiedenen Dingen verbunden sind (Eingabe und Ausgabe von ALUs).Sie können dies mit 16 Registern tun, nicht mit 1024.

Der L1-Cache ist ungefähr so schnell wie die Register, verliert jedoch aufgrund der Probleme bei der Auswahl der richtigen Daten und der Datenübertragung an Geschwindigkeit.Der L1-Cache wird mit der Größe auch langsamer.Und dann gibt es natürlich Kosten.Schauen Sie sich die Preise für CPUs mit 20 MB L3-Cache an.Auf diese Weise können Sie erraten, wie viel 64 GB L3-Cache vorhanden sind.

Kosten.Schneller Speicher ist weniger dicht als langsamer Speicher und erfordert mehr Chipfläche für eine bestimmte Speichermenge.Und die Fläche ist teuer.

In gewisser Weise hängt es davon ab, was Sie unter "Registern" verstehen.Es gibt natürliche Kompromisse zwischen:

• Kosten - Schneller Zugriff ist teurer
• Hitze - schneller Zugang erzeugt mehr Wärme
• Größe - größere Datenblöcke sind langsamer zugänglich - selbst wenn Sie die Kosten ignorieren, können Sie die Register nicht größer skalieren und erwarten, dass sie die gleiche Geschwindigkeit beibehalten, da Sie von überall aus "Daten abrufen" müssenes wird auf dem Chip gespeichert.

Eine der ersten CPUs, der Intel 4004, konnte (und wurde oft) ohne RAM verwendet werden und hatte keinen Cache, sodass die gewünschte CPU vorhanden ist (obwohl noch ein ROM zum Speichern des Programms verwendet wurde).

Optimierung.

Natürlich wäre es wirklich schön, unendlich viele schnelle Register für die Speicherung zu haben. Der Grund dafür, dass Register so schnell sind, ist die Nähe zu den anderen Teilen der CPU. Wenn Sie also die Anzahl der Register begrenzen, werden sie schneller. Sie haben die Wahl zwischen einigen wirklich schnellen Registern oder mehr Registern, die langsamer sind.

Außerdem werden Register mit teuren Transistoren auf dem Hauptchip aufgebaut. RAM ist auch sehr schnell, aber billiger, aber nicht so billig, dass Sie alle Ihre Speicheranforderungen im RAM implementieren können.

Auch Register sind nicht alle gleich. Es lohnt sich, ein paar wirklich schnelle Register zu haben, die für den Kern geschlossen sind und mit nur wenigen Bits adressiert werden können, und die anderen Register etwas langsamer zu haben.

Es ist die Pareto-Regel (17. Jahrhundert), dass 80 Prozent der Arbeit in nur 20 Prozent der Register erledigt werden können. Stellen Sie daher besser sicher, dass dies die schnellsten Register sind, die Sie haben.

Zwischen Registern und RAM gibt es verschiedene Speicherkategorien in Bezug auf Geschwindigkeit und Kosten. Durch sorgfältige Dimensionierung der Caches L1, L2 und L3 können Sie das Verhältnis von Leistung zu Kosten Ihres Supercomputers verbessern.

Wir verwenden HD oder SSD für Giga / Tera-Byte-Speicher, aber auch hier benötigen wir mehr Speicher, als wir bezahlen können. Daher müssen einige wirklich große Archive, die nicht so schnell benötigt werden, auf Band ausgelagert werden.

Zusammenfassung: Wenn Sie Ihr Geld über diese Hierarchie von Speicheroptionen verteilen, erhalten Sie das Beste für Ihr Geld:

Register, L1 / 2/3 Caches, RAM, SSD, HD, Band

Es ist nicht erforderlich, "den gesamten Speicher als Register" zu erstellen. Register sind ein Programmierkonzept und tief in den Verarbeitungskern eingebettet. Eine CPU mit einer Million Registern wäre lächerlich kompliziert und nicht sehr effizient. Sie sehen, welche Register ein Programm verwendet, ist im Programm tatsächlich "fest codiert". Es ist der Compiler , der entscheidet, was in welches Register geht, wenn er das Programm kompiliert. Mit Speicher können Sie einfach so viel dynamisch zuweisen, wie Sie benötigen. Haben Sie eine Datei mit einer Größe von 10 MB? Reservieren Sie so viel RAM zum Einlesen. Mit Registern ist das nicht möglich. Sie müssen im Voraus wissen, welche Sie verwenden werden. Register sind nicht dazu gedacht, so verwendet zu werden.

Nein, was Sie wirklich wollen, ist RAM - nur ein schneller RAM. RAM, der mit der gleichen Technologie aufgebaut ist, die auch in Registern und CPU-Caches verwendet wird. Und das ... existiert tatsächlich.

Es gibt diesen schönen alten Artikel, der vor 12 Jahren geschrieben wurde, aber immer noch relevant ist, denke ich. Ich rate Ihnen dringend, es zu lesen. Es erklärt gut, wie der Computerspeicher funktioniert. Obwohl es sehr detailliert ist, wird es etwas trocken.

Wie auch immer, der Autor beschreibt darin zwei Hauptmethoden zum Erstellen von Speicher - DRAM und SRAM.

DRAM basiert auf Kondensatoren - "1" wird durch einen geladenen Kondensator und "0" durch einen entladenen Kondensator dargestellt. Dies ist einfach und kostengünstig und basiert auf RAM heute. Es ist auch die Quelle all seiner Nachteile und Langsamkeit - das Laden / Entladen braucht Zeit.

SRAM basiert auf mehreren Transistoren und deren Zustand. Es ist viel schneller, aber auch viel komplizierter herzustellen (Drähte müssen sich für jedes Bit kreuzen) - daher teurer. Es ist auch viel machtgieriger. Dies wird für CPU-Caches verwendet (und ich vermute Register).

Die Sache ist - es gibt Geräte, bei denen der RAM eher auf SRAM als auf DRAM basiert.Aber der Preis ist nur durch das Dach.Daher wird diese Art von RAM häufiger in kleinen Mengen in speziellen Geräten (wie Netzwerk-Switches) und als CPU-Caches verwendet.

Übrigens - es gibt auch einen Grund, warum CPU-Caches so klein sind (nur ein paar MB).Je größer der Cache ist, desto länger dauert es, die erforderlichen Bytes zu finden.