Deux facteurs vont à l'encontre de votre idée:

• les processus de production de puces optimaux pour la (D) RAM et la logique (CPU) sont différents.Combiner les deux sur la même puce conduit à des compromis, et le résultat est bien moins optimal que ce qui peut être obtenu avec des puces séparées, chacune construite avec son propre processus optimal.

• la mémoire rapide (registres) prend plus de surface de découpe et consomme plus de courant (énergie) que la mémoire lente.Par conséquent, lorsque la puce du processeur est remplie d'une mémoire très rapide (vitesse du processeur), la taille de cette mémoire serait loin de correspondre aux Go que vous mentionnez.Cela ressemblerait plus à la taille actuelle des caches sur puce les plus rapides.

Il n'y a pas assez de place sur la puce du processeur pour contenir une telle quantité de mémoire, la mémoire RAM actuelle repose sur des modules DIMM avec plusieurs puces.

Le coût est également un problème, l'espace de la puce CPU est plus cher en raison d'un processus de fabrication différent.

Nous avons actuellement des caches CPU (mémoire sur la puce) à cet effet et ils sont aussi grands que possible.Dans la plupart des cas, il n'est pas nécessaire de rendre ce cache directement adressable.

Voici le dé d'un i7-5960X avec un cache L3 de 20 Mo:

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

Je pense que la principale raison pour laquelle cela n'a pas été fait est que les performances pourraient ne pas être améliorées autant qu'on pourrait le penser.

1) Un processeur avec un ensemble de registres énorme devrait probablement fonctionner à une fréquence d'horloge inférieure à un avec un ensemble de registres plus petit.

a) Les mémoires sont essentiellement de très gros multiplexeurs. Plus le multiplex est grand, plus il faut de transistors pour effectuer un accès. Plus vous avez besoin de transistors, plus son fonctionnement est lent, soit parce qu'il y a plus de niveaux de logique, soit parce qu'il y a plus de transistors connectés au même nœud (donc une capacité plus élevée). Il y a une raison pour laquelle les mémoires ne fonctionnent pas à la même vitesse que la logique du processeur.

b) Mettre en œuvre autant de mémoire prend beaucoup d'espace sur le silicium. Il faut du temps pour que les signaux se propagent physiquement à travers un plus gros morceau de silicium (délai de routage). Simplement parce qu'il est plus grand, il est peu probable que l'appareil puisse fonctionner à la même vitesse qu'un processeur physiquement plus petit.

2) Les encodages binaires des instructions de la machine seraient beaucoup moins efficaces si vous ajoutez plus de registres. Par exemple, si votre CPU a 4 registres, vous avez besoin de 2 bits pour coder une sélection de registre. Si votre CPU a 4 milliards de registres 64 bits (soit 32 Go), vous avez besoin de 32 bits pour sélectionner chaque registre.

Prenons par exemple une instruction qui calcule le OU logique de deux registres et stocke le résultat dans un troisième registre.

Pour un CPU ayant 4 registres, vous devez réserver 6 bits pour encoder les sélections d'opérande et de destination.

Pour un processeur ayant 4 milliards de registres, vous ne devez pas utiliser 96 bits d'espace d'opérande pour coder les sélections de registres.

Les instructions qui prenaient 16 bits peuvent désormais prendre 128 bits. La taille des programmes deviendrait beaucoup plus grande en termes d'utilisation de la mémoire sans nécessairement ajouter à leurs fonctionnalités.

On pourrait bien sûr être intelligent et créer des encodages d'instructions qui n'utilisent que les premiers emplacements de registres X pour enregistrer des bits.Mais ensuite, nous revenons au concept de registre original.



Il existe des périphériques qui ont un accès à la mémoire en un seul cycle, mais ce sont des micro-contrôleurs ou un système sur une puce et ont généralement des fréquences d'horloge beaucoup plus faibles que le processeur d'un PC.Ils sont généralement limités à quelques 10 à 100 MHz pour un accès mémoire à cycle unique.Et même dans ces cas, les tailles de mémoire ne sont généralement pas de Go.

Au fur et à mesure que vous ajoutez plus de registres à un processeur, le temps d'accès devient de plus en plus lent, car vous avez besoin de logique pour choisir, par exemple, l'un des 1024 registres au lieu de l'un des 16.

Et les registres sont rapides car ils sont connectés directement à diverses choses d'entrée et de sortie des ALU principalement).Vous pouvez le faire avec 16 registres, pas avec 1024.

Le cache L1 est à peu près aussi rapide que les registres, mais perd de la vitesse à cause des problèmes de sélection des bonnes données et de transfert des données.Le cache L1 devient également plus lent avec la taille.Et puis il y a le coût, bien sûr.Regardez les prix des processeurs avec 20 Mo de cache L3;cela vous permet de deviner la quantité de 64 Go de cache L3.

Coût.La mémoire rapide est moins dense que la mémoire lente, nécessitant plus de surface de découpe pour une quantité de stockage donnée.Et la zone de découpe coûte cher.

D'une certaine manière, cela dépend de ce que vous entendez par «registres».Il existe des compromis naturels entre:

• Coût - l'accès rapide coûte plus cher
• Chaleur - un accès rapide produit plus de chaleur
• Taille - les blocs de données plus volumineux sont plus lents à accéder - donc même en ignorant le coût, vous ne pouvez pas agrandir les registres et vous attendre à ce qu'ils conservent la même vitesse, car vous devez aller et "obtenir les données" d'où que vous soyezil est stocké sur la puce.

L'un des premiers processeurs, l'Intel 4004, pouvait (et était souvent) utilisé sans RAM, et n'avait pas de cache, donc le processeur que vous voulez existe (bien qu'il utilisait toujours une ROM pour stocker le programme).

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Optimisation.

Bien sûr, ce serait vraiment bien d'avoir une quantité infinie de registres rapides pour le stockage. Mais la raison pour laquelle les registres sont si rapides est la proximité des autres parties du processeur, donc limiter la quantité de registres les rend plus rapides. Le choix est entre quelques registres très rapides ou plusieurs registres plus lents.

De plus, les registres sont construits avec des transistors coûteux sur la puce principale. La RAM est également très rapide mais moins chère, mais pas si bon marché que vous pouvez implémenter tous vos besoins de stockage en RAM.

Même les registres ne sont pas tous les mêmes. Il est avantageux d'avoir quelques registres très rapides, fermés au cœur et pouvant être adressés avec seulement quelques bits, et d'avoir les autres registres un peu plus lents.

C'est la règle de Pareto (XVIIe siècle) selon laquelle 80% du travail peut être effectué dans seulement 20% des registres, vous feriez donc mieux de vous assurer que ce sont les registres les plus rapides que vous avez.

Entre les registres et la RAM, il existe plusieurs catégories de stockage en termes de vitesse et de coût et en dimensionnant soigneusement les caches L1, L2 et L3, vous pouvez améliorer le rapport performances / coût de votre supercalculateur.

Nous utilisons HD ou SSD pour le stockage d'octets Giga / Tera, mais ici aussi, nous avons besoin de plus de stockage que nous ne pouvons en payer, donc certaines archives très volumineuses qui ne sont pas nécessaires aussi rapidement doivent être déchargées sur bande.

Résumé: répartir votre argent sur cette hiérarchie d'options de stockage vous en donne le meilleur pour votre argent:

registres, caches L1 / 2/3, RAM, SSD, HD, bande

Il n'est pas nécessaire de créer "toute la mémoire sous forme de registres". Les registres sont un concept de programmation profondément ancrés dans le cœur de traitement. Un processeur avec un million de registres serait ridiculement compliqué et pas très efficace. Vous voyez, quels registres un programme utilise est en fait "codé en dur" dans le programme. C'est le compilateur qui décide de ce qui va dans quel registre quand il compile le programme. Avec la mémoire, vous pouvez simplement allouer dynamiquement autant que vous en avez besoin. Vous avez un fichier de 10 Mo? Réservez autant de RAM pour le lire. Vous ne pouvez pas faire cela avec les registres. Vous devez savoir à l'avance lesquels vous allez utiliser. Les registres ne sont pas destinés à être utilisés comme ça.

Non, ce que vous voulez vraiment , c'est de la RAM - juste une RAM rapide. RAM qui est construite avec la même technologie que celle utilisée dans les registres et les caches CPU. Et cela ... existe réellement.

Il y a ce bel article ancien qui a été écrit il y a 12 ans, mais toujours d'actualité, je pense. Je vous conseille vivement de le lire, il explique joliment le fonctionnement de la mémoire de l'ordinateur. Bien que cela entre dans les détails, cela devient un peu sec.

Quoi qu'il en soit, l'auteur y décrit deux façons principales de créer de la mémoire - DRAM et SRAM.

La DRAM est basée sur des condensateurs - "1" est représenté par un condensateur chargé et "0" par un condensateur déchargé. C'est simple et bon marché à faire et c'est sur quoi la RAM est basée aujourd'hui. C'est aussi la source de tous ses inconvénients et de sa lenteur - la charge / décharge prend du temps.

La SRAM est basée sur plusieurs transistors et dans quel état ils se trouvent. C'est beaucoup plus rapide mais aussi beaucoup plus compliqué à faire (les fils doivent se croiser pour chaque bit) - donc plus cher. C'est aussi beaucoup plus gourmand en énergie. C'est ce qui est utilisé pour les caches CPU (et je soupçonne les registres).

Le fait est qu'il y a des périphériques où la RAM est basée sur la SRAM plutôt que sur la DRAM.Mais le prix est juste à travers le toit.Donc, plus communément, ce type de RAM se trouve en petites quantités dans des périphériques spécialisés (comme les commutateurs réseau) et sous forme de caches CPU.

Btw - il y a aussi une raison pour laquelle les caches CPU sont si petits (juste quelques Mo).Plus le cache est volumineux, plus il faut de temps pour trouver les octets nécessaires.