電腦快不快，只看 CPU 為何不夠？內(nèi)存外存閃存，是誰在拖后腿？

——三百年的草稿紙困境今天仍在繼續(xù)

作者：王木頭

引

1637 年的某一天，有一位法國律師在自己的書房里呆得很無聊，就想找點(diǎn)事來消遣一下。

這位律師喜歡的事情和普通人不太一樣，沒事特別喜歡做數(shù)學(xué)題。別人做數(shù)學(xué)題會(huì)覺得很辛苦，動(dòng)腦筋太累了。這個(gè)人還真的是非常特別，他就喜歡動(dòng)腦筋，腦子根本閑不下來。而且他還不是簡單地拿本練習(xí)冊(cè)做一些數(shù)獨(dú)題、算數(shù)題，而是一定要做難度很大的數(shù)學(xué)題。
也正是因?yàn)樗@個(gè)獨(dú)特的愛好，他竟然成了一位遠(yuǎn)近聞名的業(yè)余數(shù)學(xué)家。畢竟本職工作還是律師，再有名也只能算業(yè)余數(shù)學(xué)家。
到后來，他的數(shù)學(xué)水平越來越高，而且他還做出了很多專業(yè)數(shù)學(xué)家都非常羨慕的成就。到了后世，沒有人記得他打過什么官司，記住的都是他的數(shù)學(xué)成就。

就是這樣一個(gè)人，在 1637 年的這一天，翻開了一本流傳了一千多年的數(shù)學(xué)書。這本書里記載了很多解方程的題，他平時(shí)也喜歡沒事翻翻這本書，解一解里面的題。今天也一樣，不過這次他把注意力放在了一道題上。
書里預(yù)言了這道題是不會(huì)有答案的。之所以是預(yù)言，就是因?yàn)檫@本書的作者并沒有說為什么沒有答案，沒有任何思考過程，只一句話，沒有解。你要是說這是作者預(yù)言的也行，要是說他就是瞎蒙的，也沒錯(cuò)。
這位業(yè)余數(shù)學(xué)家發(fā)現(xiàn)的這道題就屬于特別難的題，要不然也不會(huì)一千多年以來始終都沒有人證明出來，也沒有人給證偽。
可是這一天不知道怎么了，這位業(yè)余數(shù)學(xué)家就忽然靈感爆發(fā)，一下就在腦子里面迸發(fā)出很多很多想法，雖然沒有人知道那一天具體發(fā)生了什么。可能是他太聰明了，根本不需要草稿紙，就是在腦子各種心算，結(jié)果竟然找到了這個(gè)問題的證明方法。
一千多年沒人可以搞定，被他搞定了，他當(dāng)然非常興奮了。于是他就非常想把自己的思考過程記錄下來，這樣就可以讓更多人看到了?？墒钱?dāng)他準(zhǔn)備動(dòng)筆的時(shí)候，結(jié)果卻發(fā)現(xiàn)，這本書旁邊留下的空白太少了，根本不夠把思考過程寫下來。也可能是他興奮過后太累了，于是只在書的空白地方寫下一句簡單的話：“關(guān)于這個(gè)問題，我發(fā)現(xiàn)一種美妙的證法，可惜這里的空白處太小，寫不下?！?br>講到這里，我想你已經(jīng)知道了，我說的這個(gè)律師其實(shí)就是費(fèi)馬，他聲稱自己證明了的問題就是大名鼎鼎的“費(fèi)馬大定理”。

費(fèi)馬當(dāng)時(shí)是不是真的找到了證明的方法，沒有人知道。不過，這個(gè)問題最后是又過了三百多年，在 1995 年才被數(shù)學(xué)家懷爾斯給證明了。
如果當(dāng)時(shí)費(fèi)馬真的已經(jīng)把這個(gè)問題證明出來了，只是因?yàn)榧執(zhí)]有把答案寫下來，最后要等到三百多年后才再一次被證明，那么這就是一個(gè)巨大的悲劇。
費(fèi)馬大定理的悲劇雖然終結(jié)了，但是和這種情況類似的悲劇可沒有消失，這樣悲劇的事情在電腦中一直發(fā)生著。

處理器就是電腦的大腦皮層，它是電腦里最關(guān)鍵的部分。

既然是最關(guān)鍵的部分，那是不是就要被重點(diǎn)照顧，想盡辦法提高處理器的性能，提高它的運(yùn)算速度呢？只要處理器運(yùn)算速度高了，整個(gè)電腦的能力就會(huì)更強(qiáng)了。
所以，研究電腦的科學(xué)家和工程師都會(huì)想盡辦法提高處理器的速度。電腦的處理器速度也的確是在飛速發(fā)展著，可是讓科學(xué)家和工程師們想不到的是，沒多久就出現(xiàn)了問題。這個(gè)問題就是電腦“思考”得太快了，“草稿紙”不夠用了。這不就是費(fèi)馬的那個(gè)悲劇嘛。
為什么這么說呢，我需要先給你介紹一下電腦的草稿紙是什么。
電腦的草稿紙，就是電腦的存儲(chǔ)設(shè)備。雖然我們把處理器比喻成大腦皮層，但處理器和大腦皮層還是有差別。人的大腦是既有思考的能力，又有記憶的能力，如果解剖開大腦皮層的話，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)各個(gè)地方?jīng)]有明顯的區(qū)別，你不能指著某一塊就說這是管思考的，指著另一塊說這是管存儲(chǔ)記憶的。而是幾乎所有地方都既有一定的思考能力又有一定的記憶能力。
其實(shí)不只是大腦皮層，人腦里的其他部分，比如小腦、海馬體、杏仁核也都有自己的記憶能力。
再看看處理器。處理器就不一樣了，它用來運(yùn)算的部分幾乎沒有存儲(chǔ)能力，它所有用來運(yùn)算的信息，還有運(yùn)算的中間結(jié)果和最終結(jié)果都必須馬上保存起來，否則就是“狗熊掰棒子，一路掰一路丟”，光運(yùn)算了什么也沒有留下。
所以，電腦里為了配合處理器，就需要把處理器運(yùn)算需要的信息存儲(chǔ)起來。這個(gè)為處理器存儲(chǔ)信息的就是電腦的存儲(chǔ)器，我們現(xiàn)在通常也把它叫做內(nèi)存。至于為什么叫內(nèi)存，不叫外存或是其他什么名字，也是有原因的，我后面再解釋，你現(xiàn)在記住這個(gè)名字就行了。
電腦里的內(nèi)存就是處理器的草稿紙了。現(xiàn)在的處理器只能處理 0 和 1 兩種數(shù)字，所以內(nèi)存作為電腦的“草稿紙”，本質(zhì)上就是一種專門用來存儲(chǔ) 0 和 1 兩種數(shù)字的設(shè)備。
為什么電腦要把運(yùn)算和存儲(chǔ)兩種功能分開呢？就不能像大腦一樣，把它們作為一個(gè)整體嗎？還是說這種方式比人腦的方式更好，效率更高呢？
其實(shí)還真不是因?yàn)楦?，才分成處理器和?nèi)存的，而是因?yàn)檫@樣做更簡單。
像我們?nèi)四X運(yùn)算和存儲(chǔ)能力是一體的，所以人在做題的時(shí)候一般都是先在腦子里面構(gòu)思思考，等腦子裝不下思考過程了，才會(huì)寫到草稿紙上。人腦的思考過程那是非常快的，比寫在草稿紙上快多了。
而且人腦的這種結(jié)構(gòu)也是非常強(qiáng)大的，一直以來都有一個(gè)傳言說人的大腦只被開發(fā)了 10%，剩下的 90% 都是空閑的，等到大腦被開發(fā)到 100%，人就可以有超能力了。有一部電影叫做《超體》就是專門講這個(gè)事的。

這個(gè)說法當(dāng)然是假的，通過核磁共振觀察大腦就可以知道：我們?cè)谒伎紩r(shí)，大腦的不同部位雖然有一定的分工，比如左腦負(fù)責(zé)控制右半邊身體，右腦負(fù)責(zé)左半邊身體，但是整個(gè)人腦都是在活動(dòng)的，根本沒有空閑的 90%。不過，這個(gè)傳言能讓這么多人相信，還是因?yàn)榇竽X有深不可測(cè)的潛力，大腦的強(qiáng)大是沒有人懷疑的。
那為什么電腦不模仿大腦，而是要把運(yùn)算的能力和記憶的能力分開呢？不是不想，而是做不到，把思考和存儲(chǔ)記憶的能力混合在一起的結(jié)構(gòu)，的確給大腦帶來了強(qiáng)大的潛力，但是也讓大腦極度復(fù)雜。所以到現(xiàn)在人類科學(xué)家都沒有徹底搞明白人類大腦的工作機(jī)制，更別說模仿大腦來做計(jì)算機(jī)了。
也許未來有一天，人類可以做出“類腦計(jì)算機(jī)”，也就是像大腦一樣的電腦，但是這一定是非常遠(yuǎn)的未來?，F(xiàn)在來看把運(yùn)算能力和存儲(chǔ)能力分開，才是更好的實(shí)現(xiàn)方法。因?yàn)檫@樣簡單，能讓電腦更容易地被設(shè)計(jì)和制造出來。
但是它也帶來了隱患，那就是電腦的處理器速度越快，內(nèi)存越是容易不夠用，也就是會(huì)出現(xiàn)像費(fèi)馬一樣草稿紙不夠用的情況。原因就是處理器的運(yùn)算性能是體現(xiàn)在速度上，而內(nèi)存的存儲(chǔ)性能（是存儲(chǔ)信息的多少）是體現(xiàn)在空間上。
這是什么意思呢？我先給你介紹一個(gè)電腦發(fā)燒友們的特殊愛好，這個(gè)愛好叫做“超頻”——超越現(xiàn)在的頻率。
一般我們買電腦之后，廠家給處理器標(biāo)了多大的頻率，我們就按照多大的頻率來使用。但是就有一些發(fā)燒友，他們喜歡超頻，通過修改硬件上的設(shè)置讓處理器運(yùn)行在更高的頻率下。
比如你買的電腦是 2.4GHz 的處理器，這要是在我們普通人的手上，這個(gè)處理器也就只能是這么快了。但是到了這些發(fā)燒友手上，還是這個(gè)處理器，就有可能讓它按照 4.8GHz 的頻率運(yùn)行。這是我隨便說的數(shù)字，是不是真的能超頻到 4.8GHz，要看具體情況。
既然處理器的速度都提高了，為了不讓內(nèi)存拖后腿是不是也要增加內(nèi)存的存儲(chǔ)空間？速度快了，能處理的信息就更多了，需要的存儲(chǔ)空間當(dāng)然也就更多了。處理器速度翻了一倍，內(nèi)存空間是不是也得翻一倍？這就有問題了，處理器的速率提高了，但它還是這個(gè)處理器，沒有額外增加更多東西。也就是說處理器的運(yùn)算速度在增加，但是處理器的硬件數(shù)量和規(guī)模并沒有增加。
當(dāng)然我這是用超頻來舉例子，超頻如果處理不好就會(huì)把處理器燒掉。發(fā)燒友發(fā)燒友，發(fā)燒兩個(gè)字可不是白叫的。你可不要輕易嘗試，這可比拆手機(jī)要危險(xiǎn)。
處理器性能的提升可以不依賴硬件規(guī)模，內(nèi)存可就不行了，內(nèi)存的性能依賴于空間大小。
假如說內(nèi)存中一個(gè)元器件就存儲(chǔ)了一個(gè) 0、1 的數(shù)據(jù)，為了匹配更快的運(yùn)算速度，內(nèi)存的存儲(chǔ)空間就需要增加。存儲(chǔ)空間需要增加多少，就代表著元器件需要增加多少，也就是相應(yīng)的硬件規(guī)模需要同比例增加多少。內(nèi)存存儲(chǔ)空間想要翻一倍，內(nèi)存里面的元器件至少也需要翻一倍才行。
所以用一個(gè)不嚴(yán)謹(jǐn)、但方便你理解的話來總結(jié)：處理器的速度提升可以不增加硬件規(guī)模，而內(nèi)存必須等比例增加硬件規(guī)模。硬件規(guī)模更多了會(huì)怎么樣？當(dāng)然是更貴了。買一個(gè)內(nèi)存和買兩個(gè)內(nèi)存價(jià)格能一樣嗎？更大的硬件規(guī)模就代表著更多的錢。
運(yùn)算速度提升可以不花錢，但是內(nèi)存必須花錢。這就是問題。在電腦發(fā)展初期，處理器的速度還不是很快，內(nèi)存一般都是夠用的。但是我們前面也說了，處理器是電腦的核心，科學(xué)家和工程師努著勁兒把處理器越搞越快呢。處理器的運(yùn)算速度也的確是越來越快，這就代表著內(nèi)存的硬件規(guī)模也越來越大，當(dāng)然意味著需要購買內(nèi)存的錢也越來越多，于是就出現(xiàn)了處理器速度和內(nèi)存存儲(chǔ)空間之間的矛盾。
因?yàn)樗俣群蜁r(shí)間有關(guān)，這種矛盾也叫做時(shí)間-空間矛盾。
我這里再提醒一下：剛才說提升處理器性能可以不增加硬件規(guī)模，提升內(nèi)存性能必須增加硬件規(guī)模，這都是為了幫助你理解，用了最簡化的例子來介紹?，F(xiàn)實(shí)情況肯定要比這復(fù)雜得多，處理器也可以增加硬件規(guī)模來提高性能，現(xiàn)在流行多核心處理器就是這個(gè)思路。內(nèi)存也一樣，也有技術(shù)可以在不增加硬件規(guī)模的情況下增加存儲(chǔ)性能。但無論怎么樣，處理器和內(nèi)存的時(shí)間-空間特性已經(jīng)決定了它們之間會(huì)有矛盾。我這里把所有問題簡化再簡化，就是幫你理解這一點(diǎn)。
但你也不用特別擔(dān)心這個(gè)問題，覺得這個(gè)問題會(huì)影響你使用電腦和手機(jī)。我們現(xiàn)在用電腦手機(jī)也沒有動(dòng)不動(dòng)就遇上內(nèi)存不夠的情況，這就是因?yàn)殡娔X工程師們發(fā)揮出了自己的聰明才智，找到了既可以少花錢又可以不讓處理器缺“草稿紙”的方法。

2

時(shí)間-空間的矛盾本質(zhì)上是什么？本質(zhì)上就是增加內(nèi)存空間的費(fèi)用太高了。那是不是可以降低增加內(nèi)存的費(fèi)用呢？
我們可以一起來思考一下。
內(nèi)存的關(guān)鍵是什么，就是記錄信息啊。用紙可以記錄，用絲綢可以記錄，用竹簡也可以記錄 0 和 1。同樣是記錄信息，顯然用紙更便宜。那電腦工程師們是不是找到了什么便宜的方法來記錄信息呢？如果真的便宜到像紙一樣，那是不是內(nèi)存就可以無限供應(yīng)，也就沒有內(nèi)存不夠的問題了呢？
找便宜的方法來存儲(chǔ)信息，這是一個(gè)很好的答案。這個(gè)答案看似很 low，背后的道理卻非常深刻。這里多講點(diǎn)其他知識(shí)?，F(xiàn)在的紙可以這么便宜你知道為什么嗎？那可全靠了我們中國人，尤其是東漢的蔡倫。沒錯(cuò)，就是那個(gè)發(fā)明造紙術(shù)的蔡倫。
準(zhǔn)確地說，蔡倫并不是第一個(gè)把紙這種薄薄的可以寫字的東西發(fā)明出來的人，甚至都不是我們中國人最先發(fā)明出來的。最早發(fā)明出紙的，其實(shí)是距今四五千年前的古埃及人，那個(gè)時(shí)候的中國估計(jì)大禹還在治水呢。當(dāng)時(shí)古埃及發(fā)明的那種紙，叫做莎草紙，其實(shí)就是一種用特殊草編織出來的薄席子，很軟很薄，可以折疊可以寫字。

這種紙很好用，而且還更容易保存，但是這種紙?jiān)靸r(jià)特別高，很多人根本用不起。在古埃及，很多人即使有莎草紙也不敢隨便寫字。有的時(shí)候紙不夠用了，也不舍得買新的，用一種特別的方法把以前的字擦掉，然后繼續(xù)寫。
不只是莎草紙，很早之前歐洲用到羊皮紙也一樣，也是紙不夠了用小刀刮掉舊字然后再寫新字。很多古書的信息就是這么丟掉的。
蔡倫發(fā)明紙是在東漢，論時(shí)間不如古埃及早，論結(jié)實(shí)程度不如羊皮做的羊皮紙。它能成為四大發(fā)明之一，就是因?yàn)楸阋恕Ｖ恍枰靡恍淦?，破漁網(wǎng)，就可以做成紙，讓人人都可以用。其實(shí)現(xiàn)在有很多人認(rèn)為，我們國家古代文明可以那么發(fā)達(dá)，就是因?yàn)樵缭绲赜辛诉@么便宜的紙，可以讓古人們把自己的思考和經(jīng)驗(yàn)積累下來。
一個(gè)便宜的方法，看似是一件小事，但它卻成就了我們中華文明，甚至可以說成就了全部人類的文明。畢竟人類大部分的智慧都是記錄在紙上，寫在書里的。
所以，別覺得考慮內(nèi)存價(jià)格，看看怎么更便宜，這種想法太小家子氣。在電腦里面，一個(gè)便宜的存儲(chǔ)設(shè)備，它帶來的價(jià)值可能就和蔡倫發(fā)明紙一樣，能讓所有人都用得起電腦，也正是因?yàn)檫@樣我們現(xiàn)在才會(huì)有這么發(fā)達(dá)的網(wǎng)絡(luò)文明。
最開始的時(shí)候，也是圖便宜、好操作，用來存信息的也是紙，只不過電腦不是把結(jié)果寫在紙上，而是在紙卡上打孔。一個(gè)紙卡上有孔，就代表有信息，沒有孔就沒有信息。具體是怎么代表信息的，你其實(shí)也不用太在意，反正現(xiàn)在也幾乎沒有人用了。
且慢，不對(duì)，還有一個(gè)地方在用，那就是考試時(shí)候要涂的答題卡，考試的時(shí)候經(jīng)常用。答題卡，本質(zhì)上就是一種打孔卡，只不過考試的時(shí)候人人都用小刀在紙卡上打孔有些危險(xiǎn)。所以就改變了一下，把用小刀挖空改成了用鉛筆涂黑你想選的答案。電腦就會(huì)掃描答題卡，看到哪里涂黑了就認(rèn)為你選擇了這個(gè)答案，輸入到電腦里面，就能把總分算出來了。

3
紙卡很便宜，用紙卡做內(nèi)存不就可以把內(nèi)存做得很大嗎？

還是不行，紙的確是便宜，可以把內(nèi)存做大，但是紙有個(gè)問題，它讀寫起來也慢啊。你想要在紙卡上挖洞，是不是還挺費(fèi)時(shí)間的，我們?cè)诳紙?chǎng)上也會(huì)覺得涂答題卡挺浪費(fèi)時(shí)間的。如果用紙的話，空間可能夠大了，但是速度跟不上。我們前面說，內(nèi)存性能主要體現(xiàn)在空間上，那是有前提的，內(nèi)存的存儲(chǔ)速度要和處理器差不多才行。
考試的時(shí)候最遺憾的不是時(shí)間到了，沒有把題做完，最遺憾的是所有題都做完了，但是沒有來得及把答案涂在答題卡上。腦子再聰明，草稿紙?jiān)俣?，但是涂卡慢，最后依然?0 分。內(nèi)存也是一樣的。
用紙卡做記錄，就算是用機(jī)器自動(dòng)完成，但要想比得上處理器一秒鐘十幾億次的計(jì)算也是不可能的。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)得夠快了吧，不知道你有沒有注意過汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速表，一般最快也就是一分鐘轉(zhuǎn)八千次。這是一分鐘啊，換成一秒鐘的話，也就是轉(zhuǎn)100多次。就是這樣，達(dá)到這個(gè)速度，汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)就很可能被燒壞。要是一秒鐘十幾億次，別說是紙卡了，就是金屬也會(huì)燒得連渣渣都不剩了。

當(dāng)然，我們不用紙來存儲(chǔ)電腦信息，主要還不是慢，而是后來有了用電、用磁、用光盤的存儲(chǔ)方法后，用紙來存儲(chǔ)信息本身就是一件很貴的事。就比如說，現(xiàn)在隨便一張光盤里面能存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)都要比一個(gè)圖書館里所有的書上存儲(chǔ)的信息還要多。所以用紙啊，既不便宜又不快。
其實(shí)現(xiàn)在已經(jīng)有了很多存儲(chǔ)速度沒有那么慢，而且存儲(chǔ)空間還便宜的方法。利用這些設(shè)備，設(shè)計(jì)電腦的工程師們還真的想出了一個(gè)絕妙的方法，用來緩解“時(shí)間-空間”的矛盾。我們前面沒有解釋，為什么用來存儲(chǔ)處理器數(shù)據(jù)的設(shè)備被叫做內(nèi)存，現(xiàn)在告訴你，因?yàn)槌藘?nèi)存，電腦還有外存，內(nèi)存+外存，就是用來解決時(shí)間-空間矛盾的方法。
外存種類其實(shí)有很多了，電腦里面的硬盤，手機(jī)里的閃存，它們都是外存。硬盤和閃存的大小決定了電腦和手機(jī)的存儲(chǔ)空間，它們的大小代表了電腦和手機(jī)里面可以存多少游戲、照片或是視頻。
現(xiàn)在經(jīng)?？吹降耐獯婵臻g的大小，往往都有 256GB，512GB，甚至 1TB。這里的關(guān)鍵是，外存的空間一般都很大，如果不夠的話，還可以插上U盤或移動(dòng)硬盤，早些年還會(huì)經(jīng)常使用光盤。這些也全都是外存。而內(nèi)存比起外存就要小很多了，一般一個(gè)手機(jī)會(huì)配備 512GB 的外存，也就是閃存，配備的內(nèi)存呢，卻只有 8GB。

為什么會(huì)出現(xiàn)內(nèi)存小、外存大，相差上百倍的情況呢？其中一個(gè)主要原因就是因?yàn)橥瑯哟笮〉拇鎯?chǔ)空間，內(nèi)存要比外存貴的多得多，因?yàn)?strong>內(nèi)存的速度更快。
內(nèi)存讀寫的速度一般可以達(dá)到 30GB/s，而外存，就算是現(xiàn)在的固態(tài)硬盤，也只能達(dá)到 2-3GB/s 的程度，差了 10 倍。如果是機(jī)械硬盤，那就只有 500MB/s 了，上百倍的差距。不過機(jī)械硬盤也比固態(tài)硬盤要便宜很多，現(xiàn)在機(jī)械硬盤經(jīng)常是幾 T，幾十T 的空間大小。
所以一個(gè)電腦里面，不是只有一種存儲(chǔ)設(shè)備，而是有很多種，有速度快但是本身存儲(chǔ)空間貴的，也有速度慢但是存儲(chǔ)空間特別便宜的。它們綜合起來能達(dá)到更好的效果。
電腦工程師解決時(shí)間-空間問題的方法，就是同時(shí)使用兩類存儲(chǔ)器，內(nèi)存負(fù)責(zé)快，外存負(fù)責(zé)大。
知道了這一點(diǎn)非常有用。很多賣手機(jī)的人不懂，他們經(jīng)常拿著一個(gè)手機(jī)說，“我們這個(gè)手機(jī)好啊，內(nèi)存空間大，有 512G，買了之后用好幾年手機(jī)也不會(huì)卡?！爆F(xiàn)在你知道了，他們說的哪里是什么內(nèi)存啊，是外存，手機(jī)里的這種外存技術(shù)也叫閃存技術(shù)，所以也被稱為閃存空間。閃存只負(fù)責(zé)大，負(fù)責(zé)快速運(yùn)行的是內(nèi)存才對(duì)，一般也就是4GB、8GB。
出現(xiàn)這樣誤會(huì)的主要原因還是內(nèi)存和外存都被裝在了手機(jī)里面，不都在里面嗎，所以就錯(cuò)把外存當(dāng)做了內(nèi)存。
我相信講到這里，你心里也有問題，明明都在電腦和手機(jī)里面，為什么一個(gè)叫內(nèi)存一個(gè)叫外存呢？這個(gè)內(nèi)容我們下集介紹。內(nèi)存和外存能夠配合起來解決“草稿紙”不夠，就和他們的內(nèi)存外存的名字有一定關(guān)系了。
——未完待續(xù)——