第278章 冯诺依曼架构的局限
阳光灿烂的七月，迎来了学生们向往的暑假，也是天之骄子们出行接触社会的最佳时期。
那架从上海飞往纽约的东航航班上，三分之一的乘客是国际游学团的成员和家长代表，三分之一的乘客是退休的广场舞大妈，三分之一的乘客是商务人士。
辛佟值机的时候选择的是靠近窗户的座位，他的身边坐着的是一位穿着灰色西装戴着眼镜的中年大叔，看上去十分绅士，他身上喷了法国香水，好闻的香水味幽幽地飘了过来。
同排座位靠近过道坐着的是一位打扮精致的老奶奶，大波浪的卷发留着时代的印记。
美丽的空姐和英俊的空少不时在机舱里面走动，帮助旅客操作音频和视频系统，回答乘客关于飞机、天气、航线和服务等问题，他们美丽的身影总会吸引住乘客们的目光，让大家忘记旅途的艰辛。
“小帅哥，咱们换一个位置吧！”当飞机在云层中抖动了一下后，坐在过道边的老奶奶拉了拉辛佟的衣服喊道。
辛佟正在欣赏窗外的风景，飞机穿过云层后，机翼下的浮云引起了辛佟的注意。
“好啊！”辛佟转过头来，微微一笑。
看来窗外的美景也引起了老奶奶的兴趣。
他们交换完位置后，老人刚一坐稳，就伸出手拉了拉舷窗，叹了一口气，对着身边的中年大叔说道：“年轻人，这窗户怎么打开啊？我想透透气！”
“老大妈，这是飞机，不是公交车，舷窗是不能打开的！”中年男子说道。
“什么？不能打开的？”
“是啊！”
“小帅哥，那我还是坐在过道边，这里面太挤了！”
辛佟微微一笑，站起身来，又换回到了自己靠舷窗的位置。
从老太太的举止判断，辛佟觉得她是第一次坐飞机。
很多老人一辈子在工厂上班，都没有坐飞机出行过，到了退休的年龄了，子女已经成人，没有了生活的压力，时间也很富裕，打扮一下出来跟团旅游，做出一些滑稽的事情来并没有什么奇怪的。
他们换来换去，倒是难为了坐在中间的那位先生，辛佟坐好后，转过头对身边的中年男子说道：“对不起！”
“没事！”辛佟友善的礼让行为让中年男子颇有好感。
“先生，你是去纽约出差吗？”辛佟好奇地问道。
“我是回美国，十年前我就移民到了美国，这一次来上海是做学术交流！”中年男子答道。
“学术交流？”
“对的，我是去复旦大学做半导体芯片学术交流的！”
一听对方是做芯片学术交流的，辛佟立刻亮明了自己的身份：“我也是从事半导体行业的，今年刚考上清华大学微电子学院的研究生！”
“那我算是你的校友了，我叫路伟，1996年在清华大学物理系取得学士学位，然后去了美国，在美国莱斯大学取得博士学位，现在是美国密歇根大学电子工程与计算机系教授，主要研究方向是存储芯片。”中年男子自我介绍道。
“幸会！幸会！”
“你学习芯片设计的时候，多关注一下存储芯片，存储芯片是半导体行业中非常重要的一类产品，占比超过三成，我们日常所有的电子设备基本都会用到存储芯片。”路伟教授一看身边坐着的是自己的校友，侃侃而谈起来。
辛佟一听对方是密歇根大学的教授，心想一定不要放过这个大好的求教的机会。
“进了清华大学校园，我一定会好好研究一下存储芯片。”
“电子产品要实现控制和运算，就需要存储信息，这离不开存储芯片，存储芯片可简单分为闪存和内存，闪存包括NANDFLASH和NORFLASH，内存主要为DRAM。为了更加方便的理解存储芯片的作用，我们可以用吃花生来做说明，你口里吃花生就好比CPU在处理数据，硬盘容量大小就是你的口袋大小（能放多少花生），内存大小就是你的手的大小（一次能抓多少出来）。”
辛佟点了点头。
“存储行业兴起于上个世纪六十年代，到目前为止已经经历了三个发展阶段，1990年以前，DRAM（DynamicRandomAccessMemory）为存储芯片市场上主要的产品，不过DRAM有很大的局限性，只能将数据保持很短的时间，为了解决长期保存数据的问题，美国intel公司1988年开发出了NORflash技术，到了1990年，NORFlash拥有非易失性、超高读取速度、可片上执行等特性，得到了市场的认可。”
“不过NORFlash也有明显的短板，例如写入速度慢、价格昂贵，这就决定了它不适合做大容量存储，提到NORflash，不得不提一下兆易创新，这家公司的老板朱一明也是清华大学毕业的，去年他们推出了国内首款SPINORFlash产品，现在已经量产了！”
听到这里，辛佟竖起了大拇指。
“不过NORflash显然不是最佳的解决方案，科学家们不断在探索，早在1989年，日本东芝公司发表了NANDflash结构，Nand-flash存储器具有容量较大，改写速度快等优点，是高数据存储密度的理想解决方案，适用于大量数据的存储，2000年以后，NANDFlash开始了爆发式增长。”
“这么说人类已经找到了最佳的数据存储方式了！”听了路教授讲叙存储芯片的发展历史，辛佟如同醍醐灌顶一般。
“No!我认为还没有！”路教授摇了摇头。
“为什么啊？”辛佟打破砂锅问到底，跟大师在一起，只有连续问五个Why，才能得到真知。
“当前主流的计算系统都是采用冯诺依曼架构，冯诺依曼架构消除了原始计算机体系中只能依靠硬件控制程序的状况，将程序编码存储在存储器中，与运算控制单元相分离，实现了可编程的计算机功能，大大促进了计算机的发展。”
辛佟点了点头。
“目前这种架构也有一定的局限性，为了满足速度和容量的需求，现代计算系统通常采取高速缓存(SRAM)、主存(DRAM)、外部存储(NANDFlash)的三级存储结构，SRAM响应时间通常在纳秒级，DRAM则一般为100纳秒量级，NANDFlash更是高达100微秒级，当数据在这三级存储间传输时，响应时间的差异形成‘存储墙’。”
“目前市面上广泛使用的DRAM和NANDFlash受限于本身的物理特性，难以突破‘存储墙’，这就需要我们寻找一种新型存储的特殊材料和结构，如果这种新型存储芯片同时具备DRAM的读写速率与寿命以及NANDFlash的非易失特性，理论上可以简化存储架构将当前的内存和外存合并为持久内存，从而有望消除或缩小内存与外存间的‘存储墙’。”
路教授说到这里，陷入到了沉思之中。
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那架从上海飞往纽约的东航航班上，三分之一的乘客是国际游学团的成员和家长代表，三分之一的乘客是退休的广场舞大妈，三分之一的乘客是商务人士。
辛佟值机的时候选择的是靠近窗户的座位，他的身边坐着的是一位穿着灰色西装戴着眼镜的中年大叔，看上去十分绅士，他身上喷了法国香水，好闻的香水味幽幽地飘了过来。
同排座位靠近过道坐着的是一位打扮精致的老奶奶，大波浪的卷发留着时代的印记。
美丽的空姐和英俊的空少不时在机舱里面走动，帮助旅客操作音频和视频系统，回答乘客关于飞机、天气、航线和服务等问题，他们美丽的身影总会吸引住乘客们的目光，让大家忘记旅途的艰辛。
“小帅哥，咱们换一个位置吧！”当飞机在云层中抖动了一下后，坐在过道边的老奶奶拉了拉辛佟的衣服喊道。
辛佟正在欣赏窗外的风景，飞机穿过云层后，机翼下的浮云引起了辛佟的注意。
“好啊！”辛佟转过头来，微微一笑。
看来窗外的美景也引起了老奶奶的兴趣。
他们交换完位置后，老人刚一坐稳，就伸出手拉了拉舷窗，叹了一口气，对着身边的中年大叔说道：“年轻人，这窗户怎么打开啊？我想透透气！”
“老大妈，这是飞机，不是公交车，舷窗是不能打开的！”中年男子说道。
“什么？不能打开的？”
“是啊！”
“小帅哥，那我还是坐在过道边，这里面太挤了！”
辛佟微微一笑，站起身来，又换回到了自己靠舷窗的位置。
从老太太的举止判断，辛佟觉得她是第一次坐飞机。
很多老人一辈子在工厂上班，都没有坐飞机出行过，到了退休的年龄了，子女已经成人，没有了生活的压力，时间也很富裕，打扮一下出来跟团旅游，做出一些滑稽的事情来并没有什么奇怪的。
他们换来换去，倒是难为了坐在中间的那位先生，辛佟坐好后，转过头对身边的中年男子说道：“对不起！”
“没事！”辛佟友善的礼让行为让中年男子颇有好感。
“先生，你是去纽约出差吗？”辛佟好奇地问道。
“我是回美国，十年前我就移民到了美国，这一次来上海是做学术交流！”中年男子答道。
“学术交流？”
“对的，我是去复旦大学做半导体芯片学术交流的！”
一听对方是做芯片学术交流的，辛佟立刻亮明了自己的身份：“我也是从事半导体行业的，今年刚考上清华大学微电子学院的研究生！”
“那我算是你的校友了，我叫路伟，1996年在清华大学物理系取得学士学位，然后去了美国，在美国莱斯大学取得博士学位，现在是美国密歇根大学电子工程与计算机系教授，主要研究方向是存储芯片。”中年男子自我介绍道。
“幸会！幸会！”
“你学习芯片设计的时候，多关注一下存储芯片，存储芯片是半导体行业中非常重要的一类产品，占比超过三成，我们日常所有的电子设备基本都会用到存储芯片。”路伟教授一看身边坐着的是自己的校友，侃侃而谈起来。
辛佟一听对方是密歇根大学的教授，心想一定不要放过这个大好的求教的机会。
“进了清华大学校园，我一定会好好研究一下存储芯片。”
“电子产品要实现控制和运算，就需要存储信息，这离不开存储芯片，存储芯片可简单分为闪存和内存，闪存包括NANDFLASH和NORFLASH，内存主要为DRAM。为了更加方便的理解存储芯片的作用，我们可以用吃花生来做说明，你口里吃花生就好比CPU在处理数据，硬盘容量大小就是你的口袋大小（能放多少花生），内存大小就是你的手的大小（一次能抓多少出来）。”
辛佟点了点头。
“存储行业兴起于上个世纪六十年代，到目前为止已经经历了三个发展阶段，1990年以前，DRAM（DynamicRandomAccessMemory）为存储芯片市场上主要的产品，不过DRAM有很大的局限性，只能将数据保持很短的时间，为了解决长期保存数据的问题，美国intel公司1988年开发出了NORflash技术，到了1990年，NORFlash拥有非易失性、超高读取速度、可片上执行等特性，得到了市场的认可。”
“不过NORFlash也有明显的短板，例如写入速度慢、价格昂贵，这就决定了它不适合做大容量存储，提到NORflash，不得不提一下兆易创新，这家公司的老板朱一明也是清华大学毕业的，去年他们推出了国内首款SPINORFlash产品，现在已经量产了！”
听到这里，辛佟竖起了大拇指。
“不过NORflash显然不是最佳的解决方案，科学家们不断在探索，早在1989年，日本东芝公司发表了NANDflash结构，Nand-flash存储器具有容量较大，改写速度快等优点，是高数据存储密度的理想解决方案，适用于大量数据的存储，2000年以后，NANDFlash开始了爆发式增长。”
“这么说人类已经找到了最佳的数据存储方式了！”听了路教授讲叙存储芯片的发展历史，辛佟如同醍醐灌顶一般。
“No!我认为还没有！”路教授摇了摇头。
“为什么啊？”辛佟打破砂锅问到底，跟大师在一起，只有连续问五个Why，才能得到真知。
“当前主流的计算系统都是采用冯诺依曼架构，冯诺依曼架构消除了原始计算机体系中只能依靠硬件控制程序的状况，将程序编码存储在存储器中，与运算控制单元相分离，实现了可编程的计算机功能，大大促进了计算机的发展。”
辛佟点了点头。
“目前这种架构也有一定的局限性，为了满足速度和容量的需求，现代计算系统通常采取高速缓存(SRAM)、主存(DRAM)、外部存储(NANDFlash)的三级存储结构，SRAM响应时间通常在纳秒级，DRAM则一般为100纳秒量级，NANDFlash更是高达100微秒级，当数据在这三级存储间传输时，响应时间的差异形成‘存储墙’。”
“目前市面上广泛使用的DRAM和NANDFlash受限于本身的物理特性，难以突破‘存储墙’，这就需要我们寻找一种新型存储的特殊材料和结构，如果这种新型存储芯片同时具备DRAM的读写速率与寿命以及NANDFlash的非易失特性，理论上可以简化存储架构将当前的内存和外存合并为持久内存，从而有望消除或缩小内存与外存间的‘存储墙’。”
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