23、计算机架构创新与 HDF5 数据存储技术解析

计算机架构创新与 HDF5 数据存储技术解析

1. 计算机架构创新：GPU 与 CPU

计算机架构的一大创新是图形处理单元（GPUs），俗称显卡，它是独立于主 CPU 的处理器。GPU 和 CPU 存在诸多重要差异，大致而言，GPU 擅长浮点运算，而 CPU 在整数运算方面比 GPU 更出色，不过在处理浮点数据时也表现良好。所以，如果应用程序主要处理浮点数，使用 GPU 可能会加快执行速度。

这让我们对计算机内部结构有了基本认知，而这种认知在后续探讨数据库和 HDF5 时十分关键，因为许多实际编程中的权衡决策都基于底层机器的物理性能。

2. HDF5 的核心概念

2.1 二进制格式优势

将结构化的数值数据存储为二进制格式，优于使用纯文本 ASCII 文件。因为二进制文件通常体积更小，以下是整数和浮点数在原生格式和字符串格式下的对比：
| 类型 | 原生格式（字节） | 字符串格式（字节） |
| ---- | ---- | ---- |
| 小整数（如 42） | 4 | 2 |
| 中等整数（如 123456） | 4 | 6 |
| 接近整数的浮点数（如 12.34） | 8 | 5 |
| 科学计数法浮点数（如 42.424242E+42） | 8 | 13 |

多数情况下，原生格式占用空间小于字符串格式，只有小整数和接近整数的浮点数的字符串形式偶尔会更小，但这种情况较少，所以原生格式在空间利用上几乎总是更优。

此外，文件的速度也很重要。二进制格式的 I/O 速度更快，因为若要对字符串形式的数字进行数学运算，需先将其转换为原生格