芯片（5）- 存储 (寄存器、内存、硬盘)

有了计算能力，人们还要面对这个世界上最大的问题---“变化”，在宇宙达到热寂之前，世上唯一不变的是变化。即使物质的物理特性也无法长期维持，在长时间的尺度下，储存的电子会逃逸，磁性会被消除，原子会衰变。

但计算的数据及结果需要储存，人们想办法克服这些问题，于是就有了CPU内的寄存器，主板上的内存，及长期储存数据的硬盘。

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寄存器：芯片内部的寄存器速度是最快的，速度往往与CPU时钟同频率，由晶体管构成，需要电力维持状态。

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内存：目前内存的频率一般是比不上配套的CPU，但过段时间内存运行频率应该不再是瓶颈，瓶颈可能会在内存的执行架构及内存与CPU之间的距离所造成的延迟，内存颗粒也由晶体管构成，晶体管中的电荷会消失，数据也会消失。所以为了保存数据，间隔一段时间会重新通一次电刷新一次，刷新数据也会带来延迟。

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硬盘：硬盘由过去的磁性介质发展到现在的晶体管储存，在容量及速度上发展巨大，只不过目前的固态硬盘是以牺牲储存时间为代价获得速度，晶体管目前始终是存在电子逸散的问题。磁性储存介质是改变介质上的NS极磁性来记录0、1数据的，但磁头寻道花费的时间较长，没有外部因素使得磁盘消磁，储存的数据可以维持数十年。

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目前的固态硬盘是在晶体管中增加了一个物理层，减缓电子​逸​散的速度，提高储存时间，但如果写入过于频繁，会使物理层失效，这样就无法储存数据了。普通的MLC颗粒储存时长一般是1年左右，约3000—10000次擦写寿命，SLC颗粒大概可以维持10年，约10万次擦写寿命。

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还有光盘、玻璃等储存方式，是通过光学方式记录0、1数据，条件良好的情况下可以长时间储存数据，玻璃储存的方式甚至可以保存数据上千年，但目前光学储存的缺点是读取写入的速度较慢。

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总而言之，无论是以往的储存食物，还是现在的储存数据，都是人们尝试各种方式保存获得的能量或信息，对抗熵增。生命以负熵为食，人们还会继续为了对抗熵增做出各种努力。

新型存储芯片可以用光存储数据，不用担心没电了

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文/迈克·奥科特

追求更快速度的计算公司已经开始利用光替代电来传输计算机内部数据。现在，研究人员又推出了一个具有光明前景的计划——利用光来存储信息，即便在断电的情况下亦可实现。

在这个电子显微镜图像中，一小块名为GST（黄色部分）的相变材料出现在波导上。作为存储单元，它可以通过波导发送光脉冲来实现数据读写

利用光而不是电在计算机存储器和处理器之间传输数据会大幅提升计算机的速度和效能。但目前，光学信号还需要转变成电信号，而数据的存储也是以电子方式进行的，比起时下处理器的速度相对要慢。

该技术的发明者表示，利用可重写CD和DVD材料制成的新型“全光子”存储器，是迈向更高效数据传输和存储系统所需支持的一步。

此前，光子存储器曾在芯片上演示过，但寿命很短，且需要持续的光的供应才能维持运转。这是第一个封装在芯片上的非易失性光学存储器，意味着它不需要持续的能源供应，因而可以像硬盘一样提供长期存储。

该技术依赖的是所谓的相变材料。光脉冲可以让这种材料在两种截然不同的状态之间转换：一种状态是原子呈有序排列或晶态结构，一种状态是原子呈无序排列或非晶态结构。研究人员利用这种现象进行信息读写。

基于自身的一种特性，该材料特别适于记忆存储。研究人员表示，他们可以利用光让这种材料处于混合状态，比如10%的晶态和90%的非晶态，或20%的晶态和80%的非晶态，等等。

英国牛津大学（University of Oxford）材料科学教授、纳米工程专家哈里什·巴斯卡兰（Harish Bhaskaran）表示，记忆存储材料拥有两种以上状态，意味着“你可以在同样空间内塞入更多信息”。巴斯卡兰和德国明斯特大学（University of Münster）的沃尔弗拉姆·佩尔尼切（Wolfram Pernice）是该项研究项目的负责人。

短期来看，这种存储技术可以用于提升数据中心的性能，并在云计算的基础上扩大各种应用。多家大型计算公司正在开发新的系统，利用波导让光在芯片上移动，或利用当前电信行业普遍使用的光缆，将光从一个芯片转移到另一个芯片。

巴斯卡兰及其同事表示，这项新的存储计划与传统的光学纤维以及波导计划并不相悖。

要想实现商业化，该技术还有很长的路要走。研究人员的测试结果显示，目前它只能读写几个比特的数据。这需要更多的研究和开发，以更好了解它的应用方式或应该应用的方式。

巴斯卡兰和佩尔尼切计划探索的方向之一，是非传统计算机体系机构的设计，或许还包括模仿大脑处理信息的体系机构，这有可能克服传统电子计算机面临的最重要的速度和效率限制问题。巴斯卡兰表示，他们用于探求相变材料多种状态的技术，同样可以用来执行基本的算术运算，比如计数。

“如果你可以进行顺序计数，那么你就可以进行计算。”他说。

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