迅维网

标题: 如果硬盘能达到内存的速度，那操作系统的设计是否会有变化？ [打印本页]

作者: 傲雪风 时间: 2017-12-15 09:38
如果硬盘和ram一样快，那么ram就会和cache一样快，cache和reg一样快，reg……鬼知道，在任何条件下，制造速度足够快、容量足够大、价格足够便宜的存储时不可能的，所以分级会一直存在。也就是说那个时候的内存会更快，你也就看不上硬盘这可怜的速度了。

作者: 可梦吧 时间: 2017-12-15 09:38
如果磁盘速度和内存一样的话，对linux系统来说，文件系统的缓存就不再需要了，连续读文件时的预读也不需要了，读写文件的操作会简洁很多。文件系统的设计也会有变化，目前很多文件系统都是基于B树来设计的，B树的特点是假设读或写操作很费时，其他操作相对来说要快很多，因此尽量减少读写次数。这种考虑也没有必要了，可能会使用红黑树来实现文件系统。
理论上说，磁盘速度快了，交换分区可以被更加肆无忌惮的使用，不过现在内存已经白菜价了，大家都直接上大内存，交换分区的意义已经不大了。
现实中，硬盘除了读写速度比内存慢之外，还有一个特点，就是硬盘的随机读写比顺序读写慢很多，而内存顺序读写和随机读写速度一样。如果在这点上，硬盘也进化成和内存一样了的话，即硬盘的随机读写和顺序读写一样，都和内存一样快，块设备层的电梯算法也不需要了。不需要延迟写操作，合并读写请求，只需按进程的io优先级分配磁盘带快就好了。
大量存在磁盘中的数据不需要被预先加载到内存中，比如文件系统的元数据，需要的时候随时读就好了。
使用raid不再有加速的效果了，估计反而会降低速度，因为控制器的带宽很可能赶不上单个磁盘的速度。
==========================
不过我觉得，更有可能的是，网速首先达到了内存的速度，于是所有的东西都放在网上，由网络传输到内存，根本没硬盘啥事了。

作者: eason320hk 时间: 2017-12-15 09:38
这个不是一个新课题了，业界有好多研究。
virtual memory仍然的需要的，因为它提供的进程间隔离。swap只是利用了它提供另外的目的。

文件系统的话，学界有好多关于这方面的研究，但主要考虑的是endurance的问题等。如果不考虑这个问题则无所谓，ramfs之类的都可以吧。

编程模型的话，由于惯性，估计变化不大，可以预见的是flush cache的api应该经常被用到。

作者: ADUPREce 时间: 2017-12-15 09:38
如果硬盘达到内存的速度（这个速度不仅仅指吞吐量，也包括延迟），那么也许就不需要文件的概念了。所有的数据都是"由硬盘构成的内存"中的对象。

作者: xiexueqiao 时间: 2017-12-15 09:38
难道都没听说过安迪比尔定律？

作者: wz306 时间: 2017-12-15 09:38
文件系统自己就成为一个key-value的缓存系统啦。还是内核级的。

作者: shichg123 时间: 2017-12-15 09:38
IO性能和内存一样的话

所有网站都快如飞，redis和memcacheD将没有用武之地，惨被淘汰
nodeJs等等异步编程语言应用场景越来越少或者被淘汰（性能提升不大维护性却降低了很多，就好比在现代用汇编编程）
网站完全动态化，不再像报纸一样大多是图片文字。网站将会大量使用音视频（就像哈利波特电影里面的报纸或是instagram的主页）而不用担心io太多拖慢服务器。
更多的音视频图片存储使得占用空间百千倍增加，使得关系型数据库依然占据重要地位（不浪费空间）。
运算云端化，客户端（手表手机平板电脑）只是做结果展示和收集用户指令，不进行运算。

进一步

由于主要运算在云端，客户端的整体功耗会非常低，一副google glass就可以代替智能手机平板所有功能
任何一部设备都可以玩大型的画面效果非常好的游戏（因为计算发生在云端）
google基于文字网页的搜索将被淘汰，未来任何东西都可以被搜索，图片、视频、音频、温度（红外传感器）、甚至气味也有可能：
- 当你走进超市时，你的googleglass自动搜索你见到的一切，你可以知道每件物品的用途、产地、寿命，
- 会自动帮你挑选最新鲜度最甜的水果（基于水果外观颜色、气味、表面温度、上市时间、超市内温度、顾客反馈进行搜索、计算）。
- 当你的车坏在路上时，自动根据各部件温度、外观、车内传感器数据等，从数据库查出故障原因，并告诉你维修步骤。

作者: lkamxmk 时间: 2017-12-15 09:38
首先，我想说，这是一个很好的问题！这是计算机体系结构发展将会面临的问题，也是推动计算机体系结构变革的驱动因素之一！

回答很长，不过可以用两句话总结答主我的回答：
第一句话：在可预计的一段时间内，题主的假设是无法成立的，也即硬盘是无法达到内存的速度！
第二句话：如果题主的假设成立了，变成事实了，那么，操作系统会发生天翻地覆的变化！国产操作系统可以弯道超车了啊！Zhuan家们请抓住机会申请经费啊！

针对这个问题，从以下几个方面展开：
（一）硬盘是什么？内存是什么？速度怎么定义？操作系统又是什么？
所谓的“硬盘”，在题主的问题中，答主我理解就是我们通常意义上的“机械硬盘”，也即Hard Disk（HDD）。“机械硬盘”有两个重要的特性：其一是包含“机械”部分，也即寻道用到磁头和机械转动系统；其二是“非易失性”，也就是可以长时间保存数据。

所谓的“内存”，也就是我们常说的DRAM，现在我们普遍使用的是基于DDR3接口形态的 SDRAM。其最大的特点就是数据的“易失性”，因此，为了保存数据，DRAM需要不停地刷新（Refresh）。

在计算机体系结构研究中，其实是没有所谓的“速度”概念，更多的是“带宽”概念。因为系统中设备的数据访问，不仅仅和速度有关，还和数据位宽有关，例如我们常说的32位总线、64位总线，有时候系统速度虽然很快，但总线位宽不足，会导致带宽无法满足需求，因此，在系统中单纯地比较速度是没有意义的。

至于什么是操作系统，教科书上也有答案，而答主我的理解就是：操作系统是管理计算机资源并能为我们提供应用接口的玩意儿！操作系统其实包含了两部分工作：管理计算机的资源，提供应用的接口，而所提供的应用接口，其实可以看成是对计算机资源的抽象表示。

所以，基于以上定义，可以将题主的问题修正为：如果机械硬盘能提供和内存相同的带宽，那操作系统的设计是否会有变化。

（二）机械硬盘和内存的现状
机械硬盘的工作原理是磁头在读取数据时，进行旋转并定位，然后将数据读取出来，所以机械硬盘的工作中，有很大一部分的时间是被花费在旋转定位过程，而数据读取过程是很快的。同时，由于数据并不是连续排列在同一磁道上，所以磁头在读取数据时往往需要在磁道之间反复移动，这会影响机械硬盘的数据访问效率。总的说来，影响机械硬盘进行数据访问的几个关键因素是：平均寻道时间、平均等待时间、内部数据传输效率。目前一般的机械硬盘的“平均寻道时间”一般是ms级，因此，机械硬盘的数据带宽是在MB/s这个级别。因为：旋转定位过程是机械的！当然，我们可以利用RAID，将多块硬盘并行工作，可以大幅度提升数据读取效率，这儿我们暂且不论。

而内存的数据读取速度，其带宽是GB/s级的。因此，传统我们认为，内存的带宽比硬盘的带宽高2~3个数量级。

也正如一些朋友所述，半导体有摩尔定律，因此，基于半导体技术的内存，其工作频率可能会越来越快，或者理解为：内存所提供的带宽越来越高！但普通的机械硬盘，就算那个“磁头”旋转更快，但，毕竟是机械的，其还是需要不停地寻道、定位、读取数据。

所以可以说，在可预见的未来，是看不到“机械硬盘”的数据传输带宽达到内存带宽了。

（三）题主的假设成立可能性
那么，题主的假设在短时间内是不成立的！所以，咱该干啥就干啥去吧。

（四）“硬盘”的扩展
但如果进一步拓展视野，把“硬盘”扩展，我们突然发现，原来我们真的需要考虑题主的这个假设问题了！因为在我们前述的“机械硬盘”之外，出现了基于非易失性存储介质的“固态硬盘”。这些非易失性存储介质的数据访问效率已经远远超过机械硬盘，快赶上内存（也就是DRAM）了。例如下表所示：

DRAM的读写是10ns级别，而目前使用最多的基于NAND Flash的固态硬盘，其读写是us级别，更新一点的，PCM，其读写则也是ns级了！所以，我们说，未来，还真有可能出现“硬盘的访问带宽和内存访问带宽”相差不多的情况。
当然，正如上面所述，要让这些非易失性存储设备的访问能力赶得上DRAM，还是需要一段时间的，学术界、工业界现在的普遍认识，还是认为DRAM会一直存在！而HDD则会出现多样的形态，例如下图所示：

在1980年代，计算机戏中中有泾渭分明的CPU、RAM、DISK，而到了2008年代，在RAM和DISK之间出现了基于FLASH的SSD，也就是固态硬盘，而到2013年，则会出现包括多种类型非易失性存储设备构建的Storage Class Memory，而到了2018年代，此时的HDD可能就会就此消失！

当然，我们这儿并不会讨论HDD是否真的就是消失，毕竟人家Seagate、Western Digital还是要活下去的！
（五）操作系统设计该做怎样的变化
好了，啰嗦了这么多，我们来看看，如果随着半导体技术的发展，SCM会在2018年后逐渐赶上DRAM的速度，操作系统的设计会出现怎样的变化呢？

噢，这是一个非常大的变化！计算机体系结构将会出现重大的变化！
——我们干嘛还要“内存”这个玩意啊？之前看在数据传输带宽高的面子上，可以忍受要不停刷新数据的烦恼，现在“硬盘”都能提供相同带宽，干脆抛弃得了！
——啥？内存都没了，操作系统干嘛还要什么引导加载啊！直接Run！

注意，我们下面的讨论仅限于单机操作系统，并以Linux为例，我们不去扩展讨论面向网络或面向集群的操作系统。

所以我们就讲针对操作系统的各个组成部分回答题主的问题:

处理器资源管理，也就是进程管理部分：恩，这个部分看起来和内存之类的关系不大，只是我们对于进程的内存描述符可以更加宽泛点，直接指向进程所述应用的存储空间了！反正空间大，带宽还高！

内存资源：包括内存的分配、释放等工作。注意，这个时候，如果我们硬盘的速度和内存速度一样了，那么就要修改操作系统的内存管理了！或者说，我们是针对一个超过几百G的内存在进行管理，并且，由于内存需要不断刷新带来功耗增加，此时就直接用硬盘作为内存替代品了！因此，内存管理需要全部修改！

文件系统：我们的数据都是以文件形式存储在硬盘中，这部分和访问带宽关系不大，所以可以不做太大的变化！

I/O管理：从下面这张集大成的I/O协议栈图中可以看的很清楚

I/O访问包括了对“硬盘”的访问流程，为此，我们这儿就专门研究图中，针对“硬盘”访问的路线，需要取消Page Cache了，对于BIO的访问排队和调度也取消吧！
上面给出的是针对现有操作系统的修改，其实还有针对现有操作系统的加强，例如由于数据在内存中的非易失性，带来数据安全问题；也会出现性能隔离问题等等。这儿等有空可以继续展开。
最后，我想说的是，题主的问题非常好！

作者: lkamxmk 时间: 2017-12-15 09:38
有一种技术叫RAM disk, 将内存模拟当做硬盘分区来使用。

装在该分区的软件, 基本上都能做到秒开。

作者: oLjwRgTm 时间: 2017-12-15 09:38
难道现在不就是这样的吗？Macbook，所有需要的程序都开着，全都在内存里，也不需要关机，盖上盖子就走。iPhone，常用的几个应用都在内存里，都是秒开的。当然现在只有1G内存，如果以后再大点就足够用了。

编辑文档在Google Docs里，虽然网络传输还需要时间，但是编辑的时候完全感觉不到，因为存储都是后台进行的。

戒掉喜欢关机的强迫症，还有晚上关手机以防止辐射的强迫症，什么「断电不掉数据」、「开机即能用」这些需求完全没有必要。

作者: xiexueqiao 时间: 2017-12-15 09:38
断电不掉数据这个特性现在已经很普及了。服务器有UPS，笔记本电脑和移动设备自带电池，现在macOS、Windows都有电量不足时自动备份内存数据和重置硬件的功能，就算不用nvram也已经解决了fleuria说的问题。对应用程序来说，完全可以假设断电不丢数据。现实中，硬盘故障才是单机丢数据的首要原因。
从软件角度看，硬盘和内存真正重要的区别是随机访问能力。目前的硬盘随机访问很慢，所以在硬盘的数据结构需要和内存上不同，比如内存上的有序字典常常用二叉树，但硬盘就得用B+树，因为B+树每次随机访问一个节点能读取到更多子树，而不只是两棵子树。就算是SSD的随机访问能力有所提高，但依然有4KB的块边界。
假如非易失性存储器具备内存这样的高速随机访问能力，那么操作系统只要提供一种不带缓存的内存映射文件，用普通编程语言的数据结构了。当然，这些编程语言可能需要增加像C++一样的定制内存分配器的能力。
我只是开一下脑洞，瞎说说

作者: TejUKCJa 时间: 2017-12-15 09:38
放心，那个时候程序员会开发出更复杂更慢的软件，让你的电脑变得更慢，en

作者: wz306 时间: 2017-12-15 09:38
弟弟的年龄永远都不会超过哥哥。。。
永远都会有更快的东西在硬盘上级。。。除非人类遇到了瓶颈。。。但是概率为0。。。不加大约。。。

作者: 誓约之剑 时间: 2017-12-15 09:38
首先，这种事情是真实发生过的，举个例子：

把时间倒退20年（至少）

硬盘：读写速度只有几MB/秒，比现在的U盘还慢（没见过，但听说过）。我见过实体的是几十MB的硬盘。

内存：66MHz左右，比现在的SSD要慢一些。（应该说，这已经很快的，可能还有更慢的，但我是没见过）

CPU：主频见过66MHz的，（有更快的或者更慢的，但这个我见过）

对比现在的情况，现在普通SATA硬盘，访问速度能到70MB/s，SSD能翻倍，CPU早就进入G时代了，内存主频也至少是1333Mhz的水平了。

现在的硬盘，比过去的内存快，现在的内存，比过去的CPU快。内存容量都上G了，比过去的硬盘大不知道多少。

----------------------分割线----------------------

所以，从硬件发展上，这种事情是必然的，但软件层面上的变化已经很明显了，早年的PC都是字符界面，现在图形化一个比一个漂亮，如果你愿意，你可以把DOS装到内存，做到0秒开机，但我相信没有人愿意这么干，DOS是什么可能很多人都不知道了，当然，我试过，确实很快，不用太古老的DOS，哪怕是Windows3.2，载入速度也很快。

所以，硬件的发展必然带动软件的发展，更高速的硬件必然要有更高速的软件搭配。

假如（注意，我说的是假如）未来20年，硬件的容量、速度仍然像过去那样发展，那么必然可以实打开WindowsXP只需要几秒钟，但我完全有理由相信，没人再会选择用XP这么古老的东西，那个时候可能是更复杂的系统。

OS必定会越来越复杂（对比DOS和Windows7，一个几M，一个几G，千倍的尺寸差异），外部存储永远都会存在，因为人们永远都需要更大且更廉价的外设（早年的游戏都在软盘上几百K，现在用DVD都放不下，十几个G的都有），除非OS永远停滞不前，这种情况暂时还没发现。

----------------------补充----------------------

对于Windows来说，开机速度似乎不是微软关注的重点。操作系统的开机时间主要消耗在驱动的载入时间、新硬件的检测时间上，这是OS开机消耗时间的主因，如果给Windows里加上加载时间戳，主要的时间都消耗在载入sys文件（主要都是驱动），为什么休眠再开机很快？因为休眠恢复的过程中sys文件是不需要重新载入的，这里的载入是包含执行过程的，而不是单纯的load to memory，磁盘开销是很大的。微软为了兼容各个硬件，必须在开机时检测硬件。

一个极端的例子就是嵌入式系统，嵌入式系统的驱动大多都是固定的，板子的配置也是固定的，嵌入式系统的启动时间可以在几秒内完成，当然，功能也很有限。

那么假设一台电脑的硬件配置是完全确定的，永远都不改变，那么开机时间能不能缩小的？那是肯定的，但是操作系统需要自己定制，这种模式跟待机休眠的模式是类似的。但待机休眠能换硬件不？不能。
所以OS的模型也会影响到开机时间，当然提升硬件性能更直接而已。

----------------------补充2----------------------

问题改变了，那么我就粘一个回答：如果内存掉电不丢数据，而且容量非常大(以至可以直接认为没有硬盘)，那么，怎么针对这种架构设计操作系统？

虚拟内存肯定是不需要了，编程模型不一定有变化，因为CPU的寻址范围没有改变，驱动会有一些改变，如果说CPU寻址范围是全内存的，那么可以参考这个链接：哈佛结构和冯·诺依曼结构的区别

现有的计算机系统都是两种结构混合的，所以，变化没有题主预期的那么大。

作者: qinger0912 时间: 2017-12-15 09:38
摩尔定律
估计大家知道且只知道这个定律。硬件成本，集成度，速度，每18个月加倍或减半。

但是it界还有几个定律。由前者推出。反摩尔定律，安迪比尔定律。当然最近又听说了个情怀定律。不再本文讨论范围，本人既不是锤黑也不是粉

反摩尔定律，硬件每18个月价格减半，那么硬件厂商就要卖出两倍的产品才可以同样的利润。这就逼着硬件厂商拼了命去提高技术，无论是从尺度下降二三维转换或者量子之类去进步。

安迪比尔定律。如果硬件成本每18月下降一半，我18月后买同样电脑，那不就省钱了嘛？这样买电脑的不就亏了？博弈会怎样？这时伟大的比尔盖茨出来了，他让几十K的basic一步步变成了动辄几百M的.net。安迪是intel老总，比尔是微软老总，一看就是好基友，多照顾对方。人家苹果软硬都自己搞，然后cook出柜你们知道为什么了吗？

为什么软件会越来越大？我们理论上可以用汇编做一切工作，当然只是理论上。低级语言效率高速度快，但是编起来难啊，维护可读性移植性差啊。我不能编个游戏都去学各种硬件芯片啊。所以软件发展越来越大越来越复杂。这是为了更友好界面，更易可读，当然程序员工资很高啊，我能省让他快点做任务，为什么要用那变态汇编？
计算机存储系统从cache缓存内存ssd硬盘光盘磁带等等。速度整体是越来越慢的。但注意成本是越来越低的。
好了回到题主的问题。
虚拟内存技术会不会变？依我拙件，不会。windows给每个程序还是进程分4g虚拟内存。你觉得你电脑有多少程序进程？虚拟内存出来原因不仅仅是ram不够大吧，还有一些地址分配什么乱七八糟吧。
当然，如果您是壕，硬件随意买，无数微软研究院级别的人替你搞系统定制软件。也是可以的。

最后，大家都是企业，大家都是为了挣钱，所以成本是不得不考虑的东西。
科研不是无目的的，大多是遇到了问题才解决。有了瓶颈我才去研究，而制约就是成本。如果砸钱，那也可以让外存储器速度达到cache速度，但pc是一个木桶，你把一边弄得天高有何用？所以科研补的是短板。

作者: philon 时间: 2017-12-15 09:38
现在操作系统已经在发生变化了，比如说Windows 8的秒开，Windows实现秒开其实非常不容易，历史包袱很重，驱动神马的又多。
图形界面操作系统的长时间待机，iOS可以轻松待机几个月啥事没有，以前这只有没有图形界面的服务器操作系统能做到。

这些变化是逐步的，循序渐进的，所以我们有时候感觉不到，但一个比较长的时间跨度来看的时候，我们就会发现科技真的在迅猛的发展。

作者: GRcSXZPy 时间: 2017-12-15 09:38
我惊讶于这么专业的一个问题竟然问在知乎，然后一帮人一本正经的回答了一通。我要是不懂行的读者还真觉得：嗯，我明白了。其实，真的吗？

很多回答提到了，SCM（Storage Class Memory）作为一个领域已经很多年了，最近随着英特尔3D XPoint产品的临近推出而不断升温。这一领域在硬件上说是PCM, STT-RAM, ReRAM等速度远快于闪存的永久存储。研究软件的人一直在研究软件系统如何适应这一新变化，包括操作系统。所有的想法只不过是建议的研究而已。如果真的产品出现了，操作系统会如何变化，谁也不知道。其他回答里说得那么言之确确的，最多就是读了一两篇论文介绍一下里面的想法就是了。

不过，SCM其实速度并不如DRAM，所以套上去略显勉强。其次，速度是一回事，SCM还是有可擦写次数的限制的。虽然这几项技术都希望这一限制比闪存高上几百倍几千倍，但的确还是有的。如果用现在使用DRAM的方法使用SCM，很多应用场景几小时就爆掉。

最后，SCM的到来已经在倒计时了。两三年内估计Intel的产品就出来了。其他厂家的产品四五年内很可能也会出来。十年后我们就看到软件是如何使用SCM的了。

作者: eIxgQwRa 时间: 2017-12-15 09:38
不是很切题，不过值得补充一下。还有篇论文《Nonvolatile Memory is a Broken Time Machine》[1]，在一致性的层面讨论了 nvram 对存储软件的影响。

内存有了持久性，并不等同于整台计算机所有状态的持久性，除了 RAM，易失的状态还有 CPU 寄存器、高速缓存、外部设备等等，要实现整台计算机状态的持久性，仍需要电池的硬件支持，和操作系统的 “你可以安全地断电了” 的电源管理支持。至于电池朝不保夕的移动设备（energy harvesting device），就不得不放弃这个选项，只能正面这个问题：内存里有了细粒度的持久性（随便 for 循环里面一个 i 变量都持久了），然而其他易失数据丢失导致不一致了怎么办。

如果 program counter 寄存器丢失了，程序断电重启之后回到开始位置重新执行，可能出现两种不一致：

这就相当于，代码的每行机器码都可能重入了。持久性并不是多多益善，有时数据易失我们反而更好办，崩溃重启时，甚至会盼望着业务数据越易失越好（身边不恰当的例子，可以观察下运维 memcache 的同学和运维有持久性需求的 redis 的同学哪个更辛苦）。

对付这一问题的主要困难是怎样提供支持，来应对断电导致的隐式非局部控制流。作者认为 task/transaction 式的接口将是一个好的出发点，有了显式的任务边界，事情会好做一些。

同时对开发环境的建议是，在类型系统和编译器上提供支持，与 clojure 对 STM 的支持类似，将 nonvolatile memory 的操作限制在特定的代码块内，保证代码 correct by construction，而不是追求通用、透明。另一个选项是，使所有的代码幂等，从而绕过一致性问题。

对 nvram 的一致性问题也请教了下席子酱，他对 nvram 的看法大致是：并不看好持久化所有全局状态，从而透明地躺着提升现有的内存存储软件比如 redis 的可靠性的说法；反过来，将程序分离为有状态和无状态两部分仍更为妥当，但这时为了保证一致性，仍像传统的事务那样额外写一份日志到持久化存储中，是对 nvram 细粒度持久化能力的浪费。在 nvram 环境中使用无锁数据结构，可以省去多写一份日志的浪费，而这一优化是过去做不到的。

作者: oLjwRgTm 时间: 2017-12-15 09:38
鉴于好多同学问14年至今（17年12月）的工业成品，这里简单回答一下。
学术界的工作很多：

与DRAM的混合存储
加速部分in-memory的数据库
加速特殊的数据结构，比如B-Tree

具体工作可以看In-Memory Big Data Management and Processing: A Survey 中NVM那一小节
工业界变化不大，关注Everspin的发展就好，目前官网的主打产品是

有了1Gb的芯片，标准和DDR4兼容。
去年上市，今年跌破发行价，发展很挫吧，我觉得原因还是没需求。存储大厂挤牙膏，没有到用MRAM的时候，因为目前的SSD还是2GB/s徘徊，虽然接口是NVMe，但本质还是传统SSD，等SSD发展到接近内存速度的量级，大概会有资本支持MRAM发展吧？
其它应用领域不热，比如卫星上面的防辐照的存储芯片——市场不大。
手机上也没出现低功耗的芯片，大概存储芯片浪费的那点电不值当吧。
操作系统也当然没有改变啦，几十年的传统岂是说变就变的。计算机行业就这样，先占了山头的有话语权，后来者就算技术上领先没钱每用户也是没啥卵用。典型的例子比如体系结构里的经典对垒，RISC vs CISC。
目前来看就当一脑洞吧，学术上感兴趣的可以翻翻文章。NVRAM这东西，等工业界有需求有市场了，才会迎来真正的发展。
----------------------------原答案----------------------------
翻了前几页答案，为什么大部分答主都在纠结开机速度啊！！
我就问一个问题：内存，甚至CPU里的存储器都是Non-volatile了，这意味着你系统里所有的进程状态、内核状态都不会再断电后丢失，那你开\关机干嘛？吧
----------------------------正经答题----------------------------
首先，这类存储器真实存在，即大容量，快速，非易失存储，代表有STT-MRAM Magnetoresistive random-access memory，memristor 忆阻器，Phase-change Memory 相变化内存
Everspin公司已经开始供货其二代MRAM了，上图

特性不多说，反正是Non-Volatile的前提下，都DDR3兼容了。用到上G大小MRAM的日子，我看不远了。
这种新型存储器对OS的会造成哪些影响？
学术界的讨论已经很普遍了，发表在2011，HotOS上的一篇文章几乎就是以这个为标题的
Operating system implications of fast, cheap, non-volatile memory
文章链接：http://static.usenix.org/event/hotos11/tech/final_files/Bailey.pdf
下面我会以这篇文章为主，附一些自己的看法
为方便讨论，把新型存储都称为NVRAM
1.存储体系架构
引入NVRAM的方案：

A.传统方案
B.最直观的替换磁盘：用NVRAM替换SSD，如果纯粹以读写速度来衡量的话，领先现在高速SSD两个数量级，当然外设控制芯片要跟得上
C.NVRAM和普通RAM共享存储空间：有点异构存储的意思，比如NUMA，灵活性好
D.全NVRAM：彻底替换，CPU看到的全是NVRAM
2.虚拟存储
我认为哈，虚存技术就是两级存储架构的桥梁。
先来说说虚存技术本身。

OS Kernel通过页表把虚拟空间映射到物理页，Kernel以页为单位映射地址空间\管理物理内存，物理页不够用的时候就把一部分页暂时存到交换空间，下次要用到这部分页的时候再换进内存。
虚存出现在80年代，当时无论是硬件\OS设计师还是底层程序员都对仔细操作段选择子这件事情相当烦躁了。于是出现了更为规整的分页机制，这下可好，程序员眼里寻址空间一下子达到了4个G（当时机器的内存也就几十M），而且还有页为单位的映射管理机制，内存管理简洁了许多。
更重要的是，swap空间使得虚拟内存使得内存从表面上看具有了两级存储的优势，因为那部分换出去的页它们长长久久地存在外存中啊。
为什么会出现两级存储模型？
这是因为它们两个之间特性互补：

NVRAM的出现已经让两级存储成为鸡肋，快速，大容量，非易失的特点集于一身。
我们来看看为什么要采取分页：

用户看起来相对较大的内存空间——交换，虚拟化（内存不够大，非易失）
以页为粒度进行存储分配和保护（分页方便管理）

交换肯定是不需要了，管理还是要有，但牵扯到外存\文件系统，具体来讲，NVRAM对虚存的影响：
1.不需要页的交换：NVRAM本身就是快速，非易失的
2.页的粒度需要调整：还需要页来进行存储管理，比如分配，保护，存储空间的规划等，应尽量减小存储分片，减小页表结构的开销
3.主存和外存的保护机制：主存一般由页表组织，页为单位进行保护——硬件MMU；外存即是我们所说的文件系统，以文件为单位进行保护——OS；主存和外存合并到一起，这两种保护机制势必需要统一
4.名字空间：每个进程有一张页目录，我们成为地址空间；文件系统也有一张统一的名字空间；这两个空间需要统一么？
3.对OS运行的影响
如今系统加载（booting）这种事情现在是司空见惯的，但用了MRAM后，如果激进点想，在NVRAM上的整个系统是不需要开关机的，像我开头说过的那样。最多可能内核需要重启，应用完全不需要重启（当然是在不出错的情况下），power down之类的事件完全不会导致系统运行状态丢失，只相当于暂停了一会儿。
当然，掉电恢复后，对于一些设备（比如网络，IO）驱动可能需要经过初始化。
系统的一部分可以有目的地power down，比如为了省电，可以把CPU给关掉，但IO设备和NVRAM之间仍然可以进行DMA传输，这对能耗而言是很有意义的。
4.对应用的影响

应用的状态只有安装和执行：届时应用可以一直执行态，即便是挂起以后也可以一直持久地保留在NVRAM里，如果内存足够用，还需要退出这一说么？这有点类似于现在的移动应用，比如IOS的应用会一直挂起在后台，虽然不一定运行，但保存着运行状态，提到前台一样可以接着走
程序出错：检查点机制必不可少，可以利用回滚恢复到历史状态
应用的更新：应用一直是运行态，这下如何更新？系统可以从检查点更新，需要支持增量更新，再大胆设想一下，可以以某个检查点生出两个分支，一个新的一个旧的，其中一个叫master，哈哈是可以像git那样啊，多有意思

5.对系统特性的影响

非常可靠：系统崩溃随意啊，反正分分钟恢复
安全隐患变多：系统状态power down后还在，好嘛你插个XX设备把我的密码分分钟读走了。易失性这个东西有时候对安全还是有好处的
可移植性变差：文件系统跟内存一起管理，名字空间怎么办？权限怎么办？要移植你的文件系统要别的电脑都据悉本地文件系统的状态

对OS影响讨论到这里。
对工业界的影响：
1. 鉴于计算机系统界固有的惰性，比如UNIX类OS从70年代诞生以来就没太大变化，再比如微软，intel当年称霸就是凭借其向前兼容。想凭借NVRAM对计算机系统结构带来大的冲击，至少在未来短期内，不太可能。
2. 嵌入式会是最先涉足的领域，因为嵌入式平台灵活，易裁剪，而且控制器上跑的程序都是长期性的，这与NVRAM提供的特性一致，而且凭借NVRAM较低的能耗，嵌入式会是NVRAM最为繁荣的应用场景。目前Everspin公司已经向空客提供飞控的MRAM。
3. 手机端也会有应用出现，因为手机上的程序也大多是长期驻守内存的，而且NVRAM能耗低，高通就在把NVRAM加到片上系统中，让SOC，NVRAM随时断电，只让基带芯片接受数据，这样一来对手机续航算是一个大大的提升。未来两到三年，我预测应该会有配备MRAM的移动设备出现。

作者: pAxvOHtH 时间: 2017-12-15 09:38
标题: 如果硬盘能达到内存的速度，那操作系统的设计是否会有变化？
或者这么说，如果未来，内存的容量大幅增加到上T，价格大幅下降到白菜价，并且有断电不掉数据的特性，计算机行业会发生怎样的变化？ _----------------------------------------------------------------------- 非常感谢各位的回答，然后发现问题被修改了，改变后的问题改变了我的讨论意图。 1. 不考虑内存变大了，硬盘变得更大的情况，也就是说，现在我的电脑只有cpu，内存，主板，没有了硬盘了。 2.开关机变快是一个很好的点…

欢迎光临迅维网 (https://www.chinafix.com/)