内存 vs 硬盘:固态硬盘代替内存可以工作吗?

使用固态硬盘代替内存可以吗?

答案是​:不可以​

​这个问题看似复杂,其实包含很多方面的原因。

一、存储结构方面

固态硬盘和内存在存储结构上就完全不同。

1.1 固态硬盘采用的是3D闪存单元阵列来存储数据

这些存储单元被一层层地堆叠在一起,形成一个巨大的存储系统,固态硬盘的数据就存储在这个系统的每个存储单元中。单个存储单元的组成极其复杂。存储单元由控制绝缘层、电荷井以及电子通道组成。电荷阱是真正存储数据的地方,当我们往硬盘存储数据时,其实就是往电荷阱充入电子,每个电荷阱可以存入三比特的数据,也就是八个不同的二进制值。电荷阱这种特殊设计可以使得电子在十几年内都不会丢失。

硬盘结构

1.2 内存的存储结构是一个巨大的2D存储单元阵列

其中一个称为1T1C的存储单元。存储单元的本质其实就是一个电容器,当往电容器里面充电到一伏,记录为二进制的一,当电容器放电到零伏,记录为二进制的零。每个电容器只能存储一比特数据,也就是要么存储零,要么存储一。需要注意的是,电容器会发生漏电的现象,所以每隔一段时间就需要对电容器进行刷新,以避免数据丢失,这也是内存在断电后数据会丢失的主要原因。通过上面分析可以看到,固态硬盘和内存的存储结构区别非常大,这种区别直接导致的就是硬盘和内存容量相差巨大。

内存结构

二、接口和传输速度

固态硬盘内部有数万亿的存储单元,这使得固态硬盘的容量能达到TB级别,而内存条内部只有几十亿的存储单元,存储容量只有GB级别,除了存储容量存在巨大的差距,内存和固态硬盘的速度也相差甚远。固态硬盘的速度除了跟硬盘的闪存芯片类型有关系外。

还有一个重要原因就是硬盘接口,因为接口受限于带宽,不同接口的硬盘读取速度有很大的差异。而内存只在2D平面进行寻址,直接通过内存地址可以访问任何数据。
不同的硬盘接口和带宽限制图
在这里插入图片描述

三、通信传输

3.1 内存的双通道传输与CPU通信

在计算机体系结构中,内存的高速传输和处理能力对于整体系统性能至关重要。内存采用双通道传输,通过内存总线直接与CPU通信,这种设计极大地提高了数据传输的效率和带宽。相较之下,硬盘接口受到带宽的限制,无法与内存的通信速度相媲美。
在这里插入图片描述

固态硬盘作为一种高速存储介质,其数据读写速度已经相当快,但仍然远远比不上内存。固态硬盘的读写速度大约为50微秒,而内存只需要17纳秒,这意味着内存的速度比固态硬盘整整快了3000倍。这种速度差异对于计算机的实时数据处理、快速响应和高效运行至关重要。

3.2 实例

在实际应用中,特别是在进行大型游戏或复杂图形处理时,计算机通常会采用一种先从硬盘读取数据,然后加载到内存的策略。这是因为硬盘作为永久性存储介质可以保存大量数据,但其读写速度相对较慢。一旦所需数据加载到内存中,CPU就能够在几纳秒内迅速获取并进行处理,从而提供更快的响应速度和更流畅的用户体验。

这也解释了为什么在进行游戏时,你会看到一个加载进度条。这个过程实际上是将游戏所需的数据从硬盘加载到内存中,以便在需要时能够迅速被CPU调用,从而保证游戏的运行流畅性。因此,内存在计算机体系结构中的地位和作用不可替代,它是确保系统高效运行的重要组成部分。

四、那如果直接将内存去掉,让CPU从硬盘读取数据会怎样呢?

去掉内存后,先不说CPU能不能直接从硬盘读取到数据,但是速度上,这比直接从内存读取的速度慢近3000倍,直接导致的结果就是计算机将非常卡顿,所以想要用固态硬盘替代内存并不现实。除了速度限制外,计算机的架构也不支持,因为不管计算机如何发展,目前的电脑都是采用的冯诺伊曼架构,也就是CPU、内存和硬盘的架构。如果去掉内存,那么计算机的整个架构包括操作系统都需要重新设计。
综上所述,就目前来说,固态硬盘想要替代内存还是非常困难的。

附:冯诺伊曼架构
在这里插入图片描述

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