知識(shí)詛咒（Curse of Knowledge），是指我們掌握了某知識(shí)，就很難體會(huì)沒(méi)有它的感覺(jué)，不理解獲得知識(shí)以前的狀態(tài)及還未獲得該知識(shí)的人，從而產(chǎn)生溝通障礙。

計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)正在消亡 (Architecture is dying)？其背后可能是對(duì)傳統(tǒng)的馮·諾伊曼體系結(jié)構(gòu)在應(yīng)對(duì)多樣化應(yīng)用時(shí)局限的無(wú)奈，以及對(duì)摩爾定律的放緩甚至終結(jié)的擔(dān)心。那么，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)又將面對(duì)怎樣的未來(lái)呢？

01?關(guān)于計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)

計(jì)算機(jī)體系架構(gòu)（Computer Architecture）泛指計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各個(gè)方面，包括指令集架構(gòu)（Instruction Set Architecture，ISA），微體系結(jié)構(gòu)（Microarchitecture），內(nèi)存系統(tǒng)（Memory System），存儲(chǔ)設(shè)備（Storage De- vice），網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（Networking Device）等。

半導(dǎo)體技術(shù)與計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)是推動(dòng)信息技術(shù)創(chuàng)新的兩個(gè)核心技術(shù)，都是幕后英雄，往往不為大眾所知。摩爾定律的終結(jié)使得芯片設(shè)計(jì)師再也不能“無(wú)償?shù)亍泵?8個(gè)月將設(shè)計(jì)中的晶體管數(shù)量提高一倍。而計(jì)算機(jī)體系架構(gòu)演進(jìn)導(dǎo)致了性能的增長(zhǎng)，帶來(lái)的各種好處顯而易見。自1985年以來(lái)，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的革新貢獻(xiàn)了約80倍 的性能增長(zhǎng)，與半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)步的貢獻(xiàn)相當(dāng)。

由于大多數(shù)半導(dǎo)體技術(shù)與計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新是對(duì)上層應(yīng)用透明的，應(yīng)用與軟件的開發(fā)人員們無(wú)需參與底層技術(shù)創(chuàng)新就能體驗(yàn)這些技術(shù)進(jìn)步帶來(lái)的各種好處。

盡管依然能夠制造出更多更小的晶體管，但已不像過(guò)去那樣了，單個(gè)晶體管的功耗已不能很好地按比例縮小。由于傳感器、移動(dòng)設(shè)備、終端與數(shù)據(jù)中心等大多數(shù)產(chǎn)品都不能容忍功耗的不斷增長(zhǎng)，必須考慮各種手段來(lái)緩解功耗增長(zhǎng)。納米級(jí)特征的制造偏差，嚴(yán)重地降低了晶體管的長(zhǎng)期可靠性。隨著新技術(shù)（如芯片堆疊技術(shù)） 與新挑戰(zhàn)（如數(shù)據(jù)中心）的出現(xiàn)，必須通過(guò)局部性原理來(lái)管理計(jì)算部件之間的通信，從而實(shí)現(xiàn)合理的成本和能耗目標(biāo)。設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、制造和測(cè)試的一次性成本不斷增加，導(dǎo)致這些成本更難被分?jǐn)偂?/p>

也就是說(shuō)，在失去幾近完美的工藝技術(shù)按比例縮小所帶來(lái)的好處時(shí)，該如何構(gòu)建從傳感器到云端的基礎(chǔ)設(shè)施，如何從性能到隱私等多個(gè)角度去讓計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)來(lái)增加價(jià)值？

02?對(duì)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的需求是什么？

新應(yīng)用場(chǎng)景的不斷涌現(xiàn)，對(duì)計(jì)算能力的需求在日益增長(zhǎng)。在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，嵌入式傳感器產(chǎn)生的連續(xù)數(shù)據(jù)流和由大量多媒體內(nèi)容無(wú)處不在，數(shù)字化信息在爆炸式增長(zhǎng)。出于健康、商業(yè)和其他目，處理此類數(shù)據(jù)需要高效地平衡計(jì)算、通信和存儲(chǔ)的關(guān)系。

為傳感器提供足夠的能力以便在生成/ 收集數(shù)據(jù)的地方篩選和處理它們，以達(dá)到最優(yōu)能效，通信所需的能量大大超過(guò)計(jì)算。很多數(shù)據(jù)流產(chǎn)生數(shù)據(jù)如此之快，以至存儲(chǔ)在成本上不可行，數(shù)據(jù)必須被立即處理掉。在其他情況下，環(huán)境的限制和聚合不同數(shù)據(jù)源的需求影響了在哪兒執(zhí)行這些任務(wù)。此類的權(quán)衡提出了對(duì)混合架構(gòu)的需求，在節(jié)約能耗的同時(shí)有效地降低數(shù)據(jù)傳輸。?

為了保護(hù)服務(wù)的邊界、環(huán)境和服務(wù)自身，計(jì)算資源必須隨時(shí)可用，并隨時(shí)準(zhǔn)備高效地提供服務(wù)。這樣的可用性需要底層的硬件和軟件提供可靠性、安全性和自我管理功能，而這些特征是目前大多數(shù)系統(tǒng)都不能提供的。雖然當(dāng)前大型機(jī)和醫(yī)療設(shè)備都在努力實(shí)現(xiàn)5個(gè)9的可用性（每年僅5分鐘的不可用時(shí)間），但實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)仍然花費(fèi)巨大。這就要求計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)在很多層面上實(shí)現(xiàn)這樣的可用性，而且成本低廉。?

隨著我們對(duì)數(shù)據(jù)的依賴不斷增加，會(huì)變得更加依賴對(duì)計(jì)算性能的權(quán)衡，以確?？捎?、隱私和安全的交易。信息安全要優(yōu)先考慮，而目前的計(jì)算系統(tǒng)極易受攻擊。網(wǎng)絡(luò)信息戰(zhàn)不再是假象，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)，對(duì)政府網(wǎng)站的攻擊早已司空見慣。這就需要新的硬件系統(tǒng)、體系結(jié)構(gòu)、固件和操作系統(tǒng)，以便為上面的應(yīng)用中所需分布式信息安全提供保障。

03?對(duì)計(jì)算體系結(jié)構(gòu)的挑戰(zhàn)

各種新興的應(yīng)用需要體系結(jié)構(gòu)保障數(shù)據(jù)的安全性和隱私性，容忍日益變得不可靠的晶體管帶來(lái)的故障，以及增強(qiáng)可編程性、可驗(yàn)證性和可移植性。保證軟硬件可靠性比以往任何時(shí)候都重要；對(duì)一些植入式醫(yī)療設(shè)備而言， 尤其事關(guān)生死。重新考慮安全和隱私的問(wèn)題，并且定義系統(tǒng)結(jié)構(gòu)級(jí)界面，以使硬件作為可信源更高效地支持安全服務(wù)。

3.1將計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)設(shè)施

計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)必須超越那種優(yōu)化每一個(gè)孤立設(shè)備的情況，接受跨環(huán)境協(xié)同設(shè)計(jì)帶來(lái)的挑戰(zhàn)。在智能感知領(lǐng)域，核心的約束是在非常嚴(yán)格的能量、尺寸和成本的限制下完成計(jì)算。大規(guī)模計(jì)算的需求只能通過(guò)將成百上千個(gè)處理器的能力合并成為一個(gè)大規(guī)模分布式計(jì)算機(jī)才能完成，互聯(lián)網(wǎng)搜索引擎已經(jīng)展示出這種計(jì)算范式的社會(huì)重要性。

由于用戶界面對(duì)于計(jì)算能力的要求越來(lái)越高，例如多點(diǎn)觸控、語(yǔ)音識(shí)別、AR/VR、全息影像、3D場(chǎng)景重建等等，甚至移動(dòng)應(yīng)用也正向數(shù)據(jù)和計(jì)算密集型轉(zhuǎn)變，這些應(yīng)用將需要現(xiàn)有設(shè)備的單位能量運(yùn)算率從現(xiàn)在的約百億次運(yùn)算/瓦提升若干個(gè)數(shù)量級(jí)。對(duì)于運(yùn)行時(shí)而言，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)要允許程序功能被分別劃分到端邊云，并且這種劃分還要能夠動(dòng)態(tài)地適應(yīng)云端上行可靠性和能效的變化。

也就是說(shuō)，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)將作為基礎(chǔ)設(shè)施，是覆蓋從傳感器延伸到云的生態(tài)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。

3.2 能耗優(yōu)先的挑戰(zhàn)

針對(duì)服務(wù)器領(lǐng)域的能耗解決方案與針對(duì)便攜設(shè)備領(lǐng)域的解決方案有著顯著的差異。然而，無(wú)論是對(duì)高端的服務(wù)器領(lǐng)域還是便攜、傳感器設(shè)備領(lǐng)域，對(duì)計(jì)算性能永無(wú)止境的需求都將使得功耗、能耗和散熱成為計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的掣肘因素。

在體系結(jié)構(gòu)層，需要提出更高效、更合理的多核體系結(jié)構(gòu)。在軟件層，需要研究如何最大限度減少不必要的通信。在編程模型層次，需要編程環(huán)境既可以支持專家級(jí)的程序員對(duì)整個(gè)機(jī)器進(jìn)行控制，又可以對(duì)普通程序員提供簡(jiǎn)單的局部性模型。在應(yīng)用層，需要高能效的算法級(jí)策略來(lái)減少操作數(shù)量、訪存數(shù)量和處理器間的通信量，充分利用異構(gòu)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。在編譯層，需要新的法有效地在功耗效率與性能之間做出權(quán)衡，同時(shí)兼顧二進(jìn)制代碼的可靠性。

也就是說(shuō)，降低能耗可能需要從三個(gè)途徑加以解決：跨層次的能效優(yōu)化，對(duì)“并行”的重構(gòu)和有效利用“專用計(jì)算”。

3.3 工藝技術(shù)的挑戰(zhàn)

新技術(shù)和新工藝驅(qū)動(dòng)了電路、功能單元、微結(jié)構(gòu)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的新型設(shè)計(jì)。非易失性存儲(chǔ)技術(shù)可以提供很高的存儲(chǔ)密度和功 率效率，但需要針對(duì)器件能力重新設(shè)計(jì)內(nèi)存和外存系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。裸片堆疊技術(shù)雖然擁有降低連線延遲，提高片上帶寬等多種優(yōu)勢(shì)，但仍需面對(duì)電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化、設(shè)計(jì)和工藝支持等多種挑戰(zhàn)。新工具必須要滿足新技術(shù)的要求，能夠支持功能綜合、邏輯綜合、版圖設(shè)計(jì)等；異構(gòu)計(jì)算更是挑戰(zhàn)著在寄存器傳輸級(jí)設(shè)計(jì)之前對(duì)系統(tǒng)建模的能力，還要面對(duì)著結(jié)構(gòu)的多樣性和加速部件數(shù)量的急遽增加。

3.4 跨層次接口的挑戰(zhàn)

計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中的可編程性是指研制的軟件應(yīng)滿足性能、能耗、可靠性以及安全性等指標(biāo)。

過(guò)去，人們關(guān)注的是軟件工程技術(shù)， 以性能和能耗為代價(jià)提高編程者的生產(chǎn)率。當(dāng)能效以及其他目標(biāo)變得更加重要時(shí)，需要新的技術(shù)來(lái)削減編程抽象層次，從而消除不必要的低效。已有的改善可編程性的技術(shù)（包括DSL、動(dòng)態(tài)腳本語(yǔ)言如Python和Javascript等）只是部分的解決方案。

然而，當(dāng)前的指令集不能提供有效的方式來(lái)捕獲軟件意圖或?qū)㈥P(guān)鍵的高層信息傳遞給硬件。新的高層接口需要封裝并將編程者和編譯器的知識(shí)傳遞給硬件，從而獲得更高的效率與有價(jià)值的新功能?？梢允钩绦騿T能在更高層次表達(dá)并行度、局部性、計(jì)算依賴以及關(guān)鍵的共享和通信模式的接口。這種接口可使硬件更簡(jiǎn)單和有效，并具有高效的通信能力且能最大程度減少數(shù)據(jù)移動(dòng)的同步原語(yǔ)，支持異構(gòu)并行。

當(dāng)然，這需要能夠清晰地識(shí)別長(zhǎng)期數(shù)據(jù)及程序依賴關(guān)系，以便軟硬件調(diào)度器能夠動(dòng)態(tài)地識(shí)別代碼中的關(guān)鍵路徑。沒(méi)有分析、管理與優(yōu)化通信的能力，則沒(méi)有辦法保證性能、能耗與服務(wù)質(zhì)量的目標(biāo)。當(dāng)考慮大數(shù)據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景時(shí)，由于涉及眾多龐大系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)協(xié)作，數(shù)據(jù)管理會(huì)變得更加復(fù)雜。現(xiàn)有的系統(tǒng)缺乏合適的軟硬件抽象層來(lái)描述通信關(guān)系。

對(duì)可靠性而言，要求跨層次接口能夠在單一應(yīng)用中為不同模塊之間指明細(xì)粒度的保護(hù)邊界，能夠把安全當(dāng)成一級(jí)公民，并且能確定應(yīng)用的彈性需求與期望。應(yīng)用的某些部分也許要能容忍硬件故障，以便運(yùn)行起來(lái)能效更高。所有的這些接口都可以從合適的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中獲益，比如信息流的追蹤、不變量的生成和檢查、事務(wù)恢復(fù)塊、可重構(gòu)等等。

04?計(jì)算體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)

4.1 硬件設(shè)計(jì)大眾化

開發(fā)硬件必須像開發(fā)軟件一樣簡(jiǎn)單、便宜和靈活。與在通用處理芯片相比，專用硬件方案單位操作上可提高能效 10000 倍 ，此類能效的提升對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用至關(guān)重要。“大眾化”的硬件設(shè)計(jì)， 也就是讓硬件設(shè)計(jì)變得像軟件設(shè)計(jì)那樣敏捷、便宜和開放。軟件開發(fā)團(tuán)隊(duì)可以利用豐富的、擁有現(xiàn)成 的可重用部件的生態(tài)系統(tǒng)， 使用高級(jí)語(yǔ)言加速提高單個(gè)開發(fā)者的能力，并依靠強(qiáng)大和自動(dòng)化的程序分析、綜合、測(cè)試和調(diào)試來(lái)保 證品質(zhì)。

4.2 云計(jì)算是對(duì)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的抽象

云計(jì)算利用規(guī)?；粌H是為了自身業(yè) 務(wù)，也是為了投資 IT 的客戶利益，已經(jīng)前所未有地使用了專用計(jì)算機(jī)架構(gòu)。無(wú)論是高端的超級(jí)計(jì)算 機(jī)，還是商業(yè)的云端產(chǎn)品，GPU 變得無(wú)處不在，FPGA也促進(jìn)其數(shù)據(jù)中心的計(jì)算專用化。專用集成電路云 展示了如何協(xié)同開發(fā)大量高度專用的處理器，從而讓關(guān)鍵應(yīng)用得到明顯加速。

虛擬化這類技術(shù)將硬件和軟件創(chuàng)新透明地引入到了現(xiàn)有的軟件系統(tǒng)。虛擬化使得云提供商可以為了更快、 更便宜的技術(shù)替換處理器、存儲(chǔ)器和網(wǎng)絡(luò)部件，而不必與消費(fèi)者溝通協(xié)調(diào)，也促成了資源的超額認(rèn)購(gòu)，在消費(fèi)者對(duì)特定資源的需求具有時(shí)變、 碎片化特征的情況下，在消費(fèi)者之間進(jìn)行透明的資源共享。超額訂購(gòu)對(duì)云計(jì)算的成本結(jié)構(gòu)很重要，和單獨(dú)的消費(fèi)者購(gòu)買專屬資源比較，它使得云供應(yīng)商以極低的價(jià)格提供 IT資源。

4.3 垂直化趨勢(shì)

3D 集成為芯片設(shè)計(jì)提供了一個(gè)新的擴(kuò)展維度， 盡管摩爾定律終結(jié)了，仍然可以在一個(gè)單系統(tǒng)上集成更多的晶體管，可以從 3個(gè)維度縮減互聯(lián)開銷， 并實(shí)現(xiàn)各種混合制造技術(shù)的緊密集成。因此，3D 結(jié)構(gòu)內(nèi)部的系統(tǒng)組件具有更高的能效、更寬的帶寬和更低的延遲。

4.4 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)“更接近物理層”

新的存儲(chǔ)器件正在進(jìn)入商用化，與傳統(tǒng)存儲(chǔ)層次部件相比，這些新器件在開銷、密度、延遲、吞吐量、可靠性和壽命等方面完全不同。碳納米管可以保證更高的密度和更低的功耗，并且可用在三維基底上，這使得碳納米管成為體系結(jié)構(gòu)方案是非常可行的。量子計(jì)算和超導(dǎo)邏輯，能夠提供 “免費(fèi)”的通信，傳輸信號(hào)幾乎不消耗能量 。DNA 計(jì)算已經(jīng)演示了簡(jiǎn)單的邏輯操作，許多成果也表明了 DNA 作為存儲(chǔ)器和納米結(jié)構(gòu)自組裝的數(shù)字媒介具備潛力。

4.5 機(jī)器學(xué)習(xí)作為核心負(fù)載

目前的重點(diǎn)是支持云端的機(jī)器學(xué)習(xí)，但是在諸如智能手機(jī)和超低功耗傳感器節(jié)點(diǎn)等低功耗設(shè)備中支持機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用也非常重要。幸運(yùn)的是，許多機(jī)器學(xué)習(xí)內(nèi)核具有相對(duì)規(guī)整的結(jié)構(gòu)，能夠在準(zhǔn)確率和資源需求之間進(jìn)行權(quán)衡。因此，它們適用于專用硬件、重構(gòu)和近似計(jì)算等技術(shù)。

計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的表達(dá)，發(fā)展趨勢(shì)是彌合應(yīng)用領(lǐng)域和器件領(lǐng)域之間的鴻溝，確保信息技術(shù)有一個(gè)堅(jiān)實(shí)的未來(lái)。

審核編輯：劉清