磁盘比内存慢几万倍?

各种存储器之间的关系,可以用我们在图书馆学习这个场景来理解。

CPU 可以比喻成我们的大脑,我们当前正在思考和处理的知识的过程,就好比 CPU 中的寄存器处理数据的过程,速度极快,但是容量很小。而 CPU 中的 L1-L3 Cache 好比我们大脑中的短期记忆和长期记忆,需要小小花费点时间来调取数据并处理。

我们面前的桌子就相当于内存,能放下更多的书(数据),但是找起来和看起来就要花费一些时间,相比 CPU Cache 慢不少。而图书馆的书架相当于硬盘,能放下比内存更多的数据,但找起来就更费时间了,可以说是最慢的存储器设备了。

从 寄存器、CPU Cache,到内存、硬盘,这样一层层下来的存储器,访问速度越来越慢,存储容量越来越大,价格也越来越便宜,而且每个存储器只和相邻的一层存储器设备打交道,于是这样就形成了存储器的层次结构。

再来回答,开头的问题:那机械硬盘、固态硬盘、内存这三个存储器,到底和 CPU L1 Cache 相比速度差多少倍呢?

CPU L1 Cache 随机访问延时是 1 纳秒,内存则是 100 纳秒,所以 CPU L1 Cache 比内存快 100 倍左右

SSD 随机访问延时是 150 微秒,所以 CPU L1 Cache 比 SSD 快 150000 倍左右

最慢的机械硬盘随机访问延时已经高达 10 毫秒,我们来看看机械硬盘到底有多「龟速」:

SSD 比机械硬盘快 70 倍左右;

内存比机械硬盘快 100000 倍左右;

CPU L1 Cache 比机械硬盘快 10000000 倍左右;

我们把上述的时间比例差异放大后,就能非常直观感受到它们的性能差异了。如果 CPU 访问 L1 Cache 的缓存时间是 1 秒,那访问内存则需要大约 2 分钟,随机访问 SSD 里的数据则需要 1.7 天,访问机械硬盘那更久,长达近 4 个月。

可以发现,不同的存储器之间性能差距很大,构造存储器分级很有意义,分级的目的是要构造缓存体系。

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