量化设计与分析基础
计算机体系结构的定义
存储器层次结构设计
为在“快速存储的需求”与“成本控制”间折中，利用局部性原理（程序不会均衡访问所有代码/数据，包含“时间局部性”——近期访问的内容易再次访问；“空间局部性”——相邻数据易被连续访问），并遵循“给定工艺/功耗下，硬件体积越小，速度越快”的原则，形成存储器层次结构：由速度、容量、成本各不相同的存储器件，从“靠近CPU”到“远离CPU”分层级组织。
核心规律
- 越靠近CPU的层级：速度越快（访问延迟越低）、容量越小、单位成本越高（如寄存器、L1/L2/L3缓存）。
- 越远离CPU的层级：速度越慢（访问延迟越高）、容量越大、单位成本越低（如内存、闪存、磁盘）。
不同设备的存储器层次结构：
如图展示了三类设备的存储层级，每层标注了容量范围与访问速度（延迟），体现“层级越远，速度越慢、容量越大”的规律：
（a）个人移动设备（如手机、平板）： 层级从近到远：寄存器（容量~1000字节，速度~300ps）→ L1缓存（64KB，1ns）→ L2缓存（256KB，5 - 10ns）→ 内存（1 - 2GB，50 - 100ns）→ 闪存（4 - 64GB，25 - 50μs）。
（b）笔记本/台式计算机： 层级更丰富（含L3缓存）：寄存器（笔记本~1000字节、台式~2000字节，速度~300ps）→ L1缓存（64KB，1ns）→ L2缓存（256KB，3 - 10ns）→ L3缓存（笔记本4 - 8MB、台式8 - 12MB，10 - 20ns）→ 内存（笔记本4 - 16GB、台式8 - 64GB，50 - 100ns）→ 闪存（256GB - 1TB，50 - 100μs）。
（c）服务器： 容量规模更大（适配高负载）：寄存器（~4000字节，速度~400ps）→ L1缓存（64KB，1ns）→ L2缓存（256KB，3 - 10ns）→ L3缓存（16 - 64MB，10 - 20ns）→ 内存（32 - 256GB，50 - 100ns）→ 磁盘存储（16 - 64TB，3 - 10ms）、闪存（1 - 16TB，100 - 300μs）。
技术趋势与应用
闪存等新型存储技术因“每比特成本持续降低”，逐渐取代磁盘成为辅助存储，在个人设备、服务器中广泛应用，能显著提升存储系统的性能、功耗效率与存储密度。例如：个人设备常以“闪存固态盘（SSD）”为主存储；服务器则混合使用SSD与传统硬盘（HDD），平衡性能与容量。
简言之，存储器层次结构通过“分层+局部性原理”，在“快速度”与“大容量”间实现了高效折中。
Tuntun Yuchiha