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馮諾伊曼架構

約翰‧馮‧諾伊曼(John von Neumann)是出生於匈牙利的美國籍猶太人數學家,為現代電腦創始人之一。其在電腦科學、經濟、物理學中的量子力學及幾乎所有數學領域都做過重大貢獻。Neumann一生中發表了大約150篇論文,其中有60篇純數學論文,20篇物理學以及60篇應用數學論文。

1945年6月,Neumann發表了一篇長達101頁的報告,即電腦史上著名的「101頁報告」,是現代電腦科學發展里程碑式的文獻。明確規定用二進制替代十進制運算,並將電腦分成五大組件,這一卓越的思想為電子電腦的邏輯結構設計奠定了基礎,已成為電腦設計的基本原則。1951年,EDVAC電腦宣告完成。由於他在電腦邏輯結構設計上的偉大貢獻,被譽為「電腦之父」。

馮諾伊曼架構(von Neumann architecture),也稱馮諾伊曼模型(Von Neumann model)或普林斯頓架構(Princeton architecture),是一種將程式指令記憶體和資料記憶體合併在一起的電腦設計概念架構。本架構隱約指導了將儲存裝置與中央處理器分開的概念,因此依本架構設計出的電腦又稱儲存程式型電腦。

然而,將CPU與記憶體分開並非十全十美,反而會導致所謂的馮諾伊曼瓶頸(von Neumann bottleneck):在CPU與記憶體之間的流量(資料傳輸率)與記憶體的容量相比起來相當小,在現代電腦中,流量與CPU的工作效率相比之下非常小,在當CPU需要在巨大的資料上執行一些簡單指令時,資料流量就成了整體效率非常嚴重的限制,CPU將會在資料輸入或輸出記憶體時閒置。由於CPU速度遠大於記憶體讀寫速率,因此瓶頸問題越來越嚴重。(李佳翰)