Dwa czynniki są sprzeczne z Twoim pomysłem:

• Optymalne procesy produkcji chipów dla (D) RAM i logiki (CPU) są różne.Połączenie obu na tym samym chipie prowadzi do kompromisów, a wynik jest znacznie mniej optymalny niż to, co można osiągnąć z oddzielnymi układami, z których każdy zbudowany jest według własnego optymalnego procesu.

• szybka pamięć (rejestry) zajmuje więcej miejsca i zużywa więcej prądu (energii) niż wolna pamięć.W rezultacie, gdy kostka procesora jest wypełniona naprawdę szybką pamięcią (szybkością procesora), rozmiar tej pamięci nie byłby nigdzie zbliżony do wspomnianych GB.Bardziej przypominałoby to obecny rozmiar najszybszych wbudowanych pamięci podręcznych.

Na matrycy procesora jest za mało miejsca, aby zmieścić tak dużą ilość pamięci, obecna pamięć RAM jest oparta na modułach DIMM z wieloma układami.

Koszt również stanowi problem, miejsce na matryce procesora jest droższe z powodu innego procesu produkcyjnego.

Obecnie mamy do tego celu pamięci podręczne procesora (pamięć na matrycy) i są one tak duże, jak to tylko możliwe.W większości przypadków nie ma potrzeby bezpośredniego adresowania tej pamięci podręcznej.

Oto kość i7-5960X z 20 MB pamięci podręcznej L3:

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

Myślę, że głównym powodem, dla którego nie zostało to zrobione, jest to, że wydajność może nie ulec poprawie tak bardzo, jak mogłoby się wydawać.

1) Procesor z dużym zestawem rejestrów prawdopodobnie musiałby pracować z mniejszą częstotliwością zegara niż procesor z najmniejszym zestawem rejestrów.

a) Wspomnienia są zasadniczo bardzo dużymi muxami. Im większy multiplekser, tym więcej tranzystorów musi być zaangażowanych, aby uzyskać dostęp. Im więcej tranzystorów potrzebujesz, tym wolniej będzie działał, ponieważ jest więcej poziomów logiki lub ponieważ jest więcej tranzystorów podłączonych do tego samego węzła (a więc większa pojemność). Jest powód, dla którego wspomnienia nie działają z taką samą prędkością jak logika procesora.

b) Zaimplementowanie tak dużej ilości pamięci zajmuje dużo miejsca w krzemie. Fizyczna propagacja sygnałów przez większy kawałek krzemu zajmuje trochę czasu (opóźnienie routingu). Tylko dlatego, że jest większy, jest mało prawdopodobne, aby urządzenie mogło działać z taką samą szybkością, jak fizycznie mniejszy procesor.

2) Kodowanie binarne instrukcji maszynowych stałoby się dużo mniej wydajne, gdyby dodać więcej rejestrów. Na przykład, jeśli twój procesor ma 4 rejestry, potrzebujesz 2 bitów do zakodowania wyboru rejestru. Jeśli Twój procesor ma 4 miliardy rejestrów 64-bitowych (co daje 32 GB), potrzebujesz 32 bitów, aby wybrać każdy rejestr.

Weźmy na przykład instrukcję, która oblicza logiczne OR dwóch rejestrów i zapisuje wynik w trzecim rejestrze.

W przypadku procesora posiadającego 4 rejestry, musisz zarezerwować 6 bitów na zakodowanie operandu i wyboru miejsca docelowego.

W przypadku procesora posiadającego 4 miliardy rejestrów nie musisz używać 96 bitów przestrzeni operandów do zakodowania wyboru rejestrów.

Instrukcje, które wcześniej zajmowały 16 bitów, mogą teraz zajmować 128 bitów. Rozmiary programów znacznie wzrosłyby pod względem wykorzystania pamięci, bez konieczności zwiększania ich funkcjonalności.

Można oczywiście być sprytnym i stworzyć kodowanie instrukcji, które po prostu użyje pierwszych lokalizacji rejestrów X do zapisywania bitów.Ale potem wracamy tylko do pierwotnej koncepcji rejestru.



Istnieją urządzenia, które mają dostęp do pamięci w jednym cyklu, ale są to mikrokontrolery lub system na chipie i zwykle mają znacznie niższe częstotliwości taktowania niż CPU w komputerze.Zwykle są ograniczone do kilku 10 do 100 MHz dla dostępu do pamięci w jednym cyklu.Nawet w tych przypadkach rozmiary pamięci zwykle nie są GB.

Gdy dodajesz więcej rejestrów do procesora, czas dostępu staje się coraz wolniejszy, ponieważ potrzebujesz logiki, aby wybrać jeden z rejestrów 1024 zamiast 16.

A rejestry są szybkie, ponieważ są podłączone bezpośrednio do różnych elementów wejściowych i wyjściowych, głównie jednostek ALU).Możesz to zrobić z 16 rejestrami, a nie z 1024.

Pamięć podręczna L1 jest prawie tak szybka jak rejestry, ale traci prędkość z powodu problemów z wyborem właściwych danych i ich przesyłaniem.Pamięć podręczna L1 również zmniejsza się wraz z rozmiarem.Oczywiście jest też koszt.Spójrz na ceny procesorów z 20 MB pamięci podręcznej L3;która pozwala zgadnąć, ile będzie 64 GB pamięci podręcznej L3.

Koszt.Pamięć szybka jest mniej gęsta niż pamięć wolna, wymagając większej powierzchni dla danej ilości pamięci.A obszar jest drogi.

W pewnym sensie zależy to od tego, co rozumiesz przez „rejestry”.Istnieją naturalne kompromisy między:

• Koszt - szybki dostęp jest droższy
• Ciepło - szybki dostęp wytwarza więcej ciepła
• Rozmiar - dostęp do większych bloków danych jest wolniejszy - więc nawet ignorując koszt, nie można skalować większych rejestrów i oczekiwać, że utrzymają tę samą prędkość, ponieważ trzeba jechać i „pobierać” dane z dowolnego miejscajest przechowywany w chipie.

Jeden z pierwszych procesorów, Intel 4004, mógł być (i często był) używany bez pamięci RAM i pamięci podręcznej, więc żądany procesor istnieje (chociaż nadal używał pamięci ROM do przechowywania programu).

Optymalizacja

Oczywiście byłoby miło mieć nieskończoną ilość szybkich rejestrów do przechowywania. Ale powodem, dla którego rejestry są tak szybkie, jest bliskość innych części procesora, więc ograniczenie liczby rejestrów sprawia, że ​​są one szybsze. Do wyboru jest kilka naprawdę szybkich rejestrów lub więcej rejestrów, które są wolniejsze.

Ponadto rejestry są zbudowane z drogich tranzystorów na głównej matrycy. Pamięć RAM jest również bardzo szybka, ale tańsza, ale nie tak tania, że ​​możesz zaimplementować wszystkie swoje potrzeby dotyczące pamięci RAM.

Nawet rejestry nie są takie same. Warto mieć kilka naprawdę szybkich rejestrów, które są zamknięte w rdzeniu i mogą być adresowane za pomocą zaledwie kilku bitów, a pozostałe rejestry są nieco wolniejsze.

Zgodnie z zasadą Pareto (XVII wiek) 80% pracy można wykonać w zaledwie 20% rejestrów, więc lepiej upewnij się, że są to najszybsze rejestry, jakie posiadasz.

Pomiędzy rejestrami a pamięcią RAM jest kilka kategorii pamięci pod względem szybkości i kosztów, a dzięki starannemu wymiarowaniu pamięci podręcznych L1, L2 i L3 można poprawić stosunek wydajności do kosztów swojego superkomputera.

Używamy HD lub SSD do przechowywania gigabajtów gigabajtów, ale również tutaj potrzebujemy więcej miejsca niż jesteśmy w stanie zapłacić, więc niektóre naprawdę duże archiwa, które nie są potrzebne tak szybko, muszą zostać przeniesione na taśmę.

Podsumowanie: rozłożenie pieniędzy na tę hierarchię opcji przechowywania daje największy zwrot z każdej zainwestowanej złotówki:

rejestry, pamięci podręczne L1 / 2/3, RAM, SSD, HD, taśma

Nie ma potrzeby tworzenia „całej pamięci jako rejestrów”. Rejestry są koncepcją programowania i są głęboko osadzone w rdzeniu przetwarzania. Procesor z milionem rejestrów byłby absurdalnie skomplikowany i niezbyt wydajny. Widzisz, który rejestr używany przez program jest faktycznie „zakodowany na stałe” w programie. To kompilator decyduje o tym, co trafia do którego rejestru podczas kompilacji programu. Dzięki pamięci możesz po prostu dynamicznie przydzielać tyle, ile potrzebujesz. Masz plik o rozmiarze 10 MB? Zarezerwuj tyle pamięci RAM, aby go wczytać. Nie możesz tego zrobić z rejestrami. Musisz wcześniej wiedzieć, z których będziesz korzystać. Rejestry nie mają być używane w ten sposób.

Nie, naprawdę potrzebujesz pamięci RAM - po prostu szybkiej pamięci RAM. Pamięć RAM zbudowana przy użyciu tej samej technologii, co rejestry i pamięci podręczne procesora. I to ... faktycznie istnieje.

Jest taki ładny, stary artykuł, który został napisany 12 lat temu, ale wydaje mi się, że wciąż aktualny. Gorąco radzę przeczytać, ładnie wyjaśnia, jak działa pamięć komputera. Chociaż zagłębia się w szczegóły, robi się trochę suchy.

W każdym razie autor opisuje w nim dwa główne sposoby tworzenia pamięci - DRAM i SRAM.

DRAM jest oparty na kondensatorach - „1” jest reprezentowane przez kondensator naładowany, a „0” przez kondensator rozładowany. Jest to proste i tanie w wykonaniu i na tym opiera się dziś pamięć RAM. To także źródło wszystkich jego wad i powolności - ładowanie / rozładowywanie wymaga czasu.

SRAM jest oparty na kilku tranzystorach i ich stanie. Jest znacznie szybszy, ale też dużo bardziej skomplikowany w wykonaniu (przewody muszą się krzyżować dla każdego bitu) - stąd droższy. Jest też bardziej energochłonny. To jest to, co jest używane do pamięci podręcznych procesora (i podejrzewam, że rejestry).

Rzecz w tym, że są urządzenia, w których pamięć RAM jest oparta na SRAM zamiast DRAM.Ale cena jest po prostu przez dach.Dlatego częściej ten typ pamięci RAM znajduje się w małych ilościach w wyspecjalizowanych urządzeniach (takich jak przełączniki sieciowe) i jako pamięci podręczne procesora.

Przy okazji - jest też powód, dla którego pamięci podręczne procesora są tak małe (zaledwie kilka MB).Im większa pamięć podręczna, tym dłużej trwa znalezienie potrzebnych bajtów.