中国邮政储蓄银行有限责任公司  刘宁

现代计算机技术（包括器件与系统）的发展推动了计算机体系的变革，打破原来的冯诺依曼体系结构、推出新的体系方案的建议和研究成果层出不穷。其中，除了核心运算和通道体系结构以外，存储器的变革成为重点关注的技术之一。

一、外存储器制约运行速度提高

现代计算机存储器，除了高缓存储器外，主要分为内存和外存两大类（只读存储器可归并为内存型）。从功能角度看，存储器的作用主要分为运行计算的临时存储和保存记忆的永久存储。以人脑的功能为例，这两种功能的实现部位并不是截然分开：人的思考、分析、运算与记忆、回忆都在大脑中进行，并没有明显的部位调动和舍此用彼。思考用到的信息要素都在大脑中直接调动，思考过后的信息数据也自然留在大脑中成为记忆，而且，无需调出就成为永久记忆，无需调入即形成回忆。与此类似，计算机使用的数据分为计算运行数据和永久记忆数据。程序和程序运行所需数据应为计算运行数据，这部分数据应该常驻计算机中，像人的大脑一样，与硬件融为一体，应该没有调出、调入的动作。当初按照冯诺依曼体系设计的计算机就是按照此理念构造的。冯诺依曼体系并无外存储器的设想，这从运算的本质来说是合理的，因为，非运算数据的永久记忆是计算以外的需求。王安博士发明的磁芯存储器就曾作为计算机的核心内存，存储程序和运算数据既可以运行计算又可以永久保存。

但是，随着软件和操作系统的快速发展，受制于存储器技术发展的瓶颈，运算数据更多地移到了外存储器上，形成了调出调进的局面，影响了开机、启动程序和并发进程的速度。

外存储器当初并没有作为核心体系中的一个单元，而是作为外围设备来对待的。随着计算机技术的发展，外存储器成为越来越重要的系统单元，甚至成为计算机的核心配置（而不是外设）。但是，外存储器同时也成为影响计算机速度的最大瓶颈，因为核心部件只有外存储器的硬盘具有机械运转，其他核心部件均是电子运转的大规模集成电路。不言而喻，机械运转和电子运转的数据存取速度相差很大，特别是硬磁盘的寻道时间，无论怎样提高也难以超越毫秒级（这也是机械运动的极限），而电子存储（大规模集成电路）的寻址时间几乎可以忽略不计。因此，无论计算机系统软件和其他硬件单元的运行速度怎样提高，由于运算数据存储在外存储器上，无法逾越外存储器机械运动的瓶颈。

二、内存储器的软硬体系改造

改进计算机体系以提高未来计算机的性能，除了对核心单元和体系结构的改进以外，数据存储的问题不能不提高到一个非常重要的地位来考虑。这里有两个核心问题要解决，一是运算数据要放回内存储器，二是提高可记忆内存储器的容量和速度，这两个问题的重点又在第二个问题。可喜的是，固态硬盘（SSD）的出现给解决这个问题带来了曙光，SSD已解决了记忆和容量的问题，速度也大大超过硬磁盘，但与现代意义上的内存相比还相差很远。从以往硬件发展的速度来看，SSD提高性能指标是指日可待的事情。最近有报道，2010年11月17日，“企业级固态存储厂商Fusion-io在新奥尔良举行的SuperComputer 2010高性能计算大会上宣布，其ioDrive Octal固态存储卡已经达成了新的性能世界纪录，单卡随机读写IOPS性能过百万，连续读取速度达6.2GB/s。”笔者认为这个消息有点离谱，离工业化生产和普遍推广应用还差得很远，但这则消息说明SSD技术在突飞猛进的发展，相信不远的将来，SSD与现有内存（RAM）的性能差别会大大缩小，SSD的内存储器作用会逐渐显现。作为过渡，现在已经出现了混合硬盘，即硬磁盘和固态硬盘封装在一起，程序等运算数据装在SSD中，记忆数据装在硬磁盘中，不用改变体系结构即可大大提高计算机启动、运行、计算的速度。

但是，作为计算机体系的改进，不能仅仅将程序像以前一样放入SSD中就完结了。它仍然要调出、调进，老酒换新瓶，从运算逻辑来说仍是不合理的。应该按照运行状态将存储运算数据放入新的内存储器，包括编码的机器排列、堆栈和运算数据的地址分配及所需内存的预留等，争取实现打开机器就能运行、点击程序马上运算、毫无等待时间，中间进程也可即调即用，关机以后再次启动立即从上次工作（程序）的断点开始运行，真正实现运算、记忆无间隔的人脑状态，这也遵从了冯诺依曼的最早初衷。当然，新的运算存储体系在存储器的布局需要重新设计，而不能简单地把现在的内存运行映像搬到未来的存储体系中去。这期间有很多艰苦的工作要做，但这种改进是值得的，也是必然的趋势。

三、外存储器利用和改造的设想

计算机体系作了这么重大的改进，SSD进步到较高的性能水平以后，是否还需要硬磁盘？是否还需要外存储器？笔者在研究计算机体系结构时循着以上思路曾以为未来以硬磁盘为代表的外存储器可能消灭。但是总结人类社会的需求，以及人本身进入文明信息社会以后对信息应用的发展后发现，外存储器是不可缺少的单元。我们可以看到，人脑再强大，也不可能实现海量记忆、不可能不遗忘、不可能不死亡，于是纸张、书本就成为辅助人脑成为永久记忆信息的工具。计算机也是一样，各种各样的应用系统并不是仅限于计算，有许多是需要对海量数据进行处理，单凭内存储器是无法完成的。现代社会运转的大量信息需要大容量永久记忆的外存储器，因此，外存储器永远不会消失。

随着现代社会的进步，海量存储的应用越来越普遍，图书读取、网络搜索引擎、各种账号（身份证照、社保账户、银行账户等）、经济财务、新闻甚至娱乐信息等数据的存储将越来越成为信息技术应用的最主要领域。如果海量信息的查找完全靠磁盘的机械旋转来进行，人类信息化的步伐将会受到巨大阻碍。但是，目前还没有性价比更高的存储器件能代替硬磁盘，即使SSD技术提高到很高水平，在海量存储的应用上它的性价比也比不上硬磁盘。如何能充分利用廉价的磁存储技术并甩掉磁盘的机械旋转，这将是今后磁盘存储器改进的关键。

磁介质存储的基本原理在于电和磁的相对运动。机械运动只是电磁转换的一种形式，不能说电子运动就是机械运动。王安的磁芯存储器也是利用磁介质原理，而且期间没有机械运动，就实现了磁性翻转和磁性读取。如何使电子运动无需机械运转而施加到磁介质上，电子束扫描是一项可采取的技术。其实，我们一直沿用的温彻斯特盘技术本来也是在一个封闭的微型环境。抽去空气便于电子运动，可以在盘内安上电子射枪对磁盘进行扫描，靠电子在磁盘上的运动促使磁单元翻转，更可以利用垂直磁技术，提高密度和速度。电子束可以集中成极微小的尺寸，电子扫描的速度可以接近电传输速度，大大快于机械旋转，使磁盘存储技术有一个根本性的改变。

当然，电子束磁盘（暂命名）的工艺技术并不像上面说的那样简单，要突破很多关键技术：扫描线的方向和形式；阴极、阳极和磁盘的位置配置；磁单元的寻址和定位；磁单元的翻转或归位；磁单元的读取方式；电子射枪的微型化；多层磁盘装置等。笔者只是在这里提出硬磁盘改造的必要性和理论设想，作为抛砖引玉，希望外存储器在不远的将来有一个革命性的技术改进，促进人类社会信息化的发展。