David Patterson：摩爾定律終結(jié)，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)正迎來(lái)下一個(gè)黃金時(shí)代

計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、軟硬協(xié)作引領(lǐng)應(yīng)用技術(shù)新突破。

1965年，作為Intel創(chuàng)始人之一的Gordon Moore做出了預(yù)言：價(jià)格不變時(shí)，半導(dǎo)體芯片中可容納的元器件數(shù)目約每?jī)赡陼?huì)翻一倍，其性能也會(huì)同比提升。經(jīng)過(guò)后來(lái)多年數(shù)據(jù)論證，這個(gè)時(shí)間周期實(shí)際在18個(gè)月上下。

幾十年來(lái)，隨著半導(dǎo)體芯片制程工藝發(fā)展，晶體管尺寸在不斷逼近物理極限，摩爾定律也在被質(zhì)疑和自我證明間徘徊。對(duì)于此，2017年圖靈獎(jiǎng)得主、加州伯克利大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)教授、谷歌杰出工程師David Patterson表示：“現(xiàn)在，摩爾定律真的結(jié)束了，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)將迎來(lái)下一個(gè)黃金時(shí)代?！?/p>

作為計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)宗師，David Patterson曾帶領(lǐng)伯克利團(tuán)隊(duì)起草了精簡(jiǎn)數(shù)據(jù)集RISC-1，奠定RISC架構(gòu)基礎(chǔ)，該架構(gòu)后來(lái)被當(dāng)時(shí)的巨頭“太陽(yáng)微電子”（Sun Microsystem，后來(lái)被甲骨文收購(gòu)）選中用來(lái)制作Sparc處理器。他與斯坦福大學(xué)前校長(zhǎng)、Google母公司Alphabet現(xiàn)董事長(zhǎng)John Hennessey合作的《計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)：量化研究方法》開(kāi)創(chuàng)性地提供了體系結(jié)構(gòu)的分析和科學(xué)框架，至今都是該領(lǐng)域的經(jīng)典教材。2016年從伯克利退休后，David Patterson以杰出工程師身份加入Google Brain團(tuán)隊(duì)，為兩代TPU研發(fā)做出了卓越貢獻(xiàn)。

2018年3月，David Patterson與John Hennessey共同獲得2017年度ACM圖靈獎(jiǎng)，以表彰他們?cè)谟?jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和評(píng)估方面開(kāi)創(chuàng)了一套系統(tǒng)的、量化的方法，并對(duì)微處理器行業(yè)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

親歷計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)發(fā)展50年，這個(gè)領(lǐng)域都發(fā)生了哪些變化？后摩爾定律時(shí)代會(huì)有哪些機(jī)遇和挑戰(zhàn)？AI芯片創(chuàng)業(yè)熱潮下，芯片架構(gòu)會(huì)朝哪個(gè)方向走？

近日，David Patterson在清華大學(xué)就《計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，下一個(gè)黃金時(shí)代》這一主題進(jìn)行了演講。36氪也圍繞上述問(wèn)題，對(duì)Patterson教授進(jìn)行了專訪。

上世紀(jì)八十年代，計(jì)算機(jī)體系架構(gòu)的第一個(gè)黃金時(shí)代

回顧計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)發(fā)展歷程，Patterson教授提到三個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)：

20世紀(jì)60年代，IBM有四個(gè)不兼容的計(jì)算機(jī)系列和四個(gè)不同的指令集，這意味著有四種完全不同的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言和軟件棧。面對(duì)這一問(wèn)題，IBM想到“直接用單個(gè)指令集統(tǒng)一一切”，因此基于Maurice Wilkes提到的“設(shè)計(jì)處理器單元”這一概念推出了IMB 360。

IBM這一舉措引領(lǐng)了微處理器的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)原來(lái)不需要那么多芯片，只用一個(gè)就夠了。在這種情況下，Intel為了占得市場(chǎng)空間，被迫啟動(dòng)了新項(xiàng)目，推出了Intel 8086微處理器，在當(dāng)時(shí)獲得了超過(guò)1億美金銷售額，被認(rèn)為是“芯片的未來(lái)”。

下一個(gè)階段則是將指令集由繁至簡(jiǎn)，也就是從CISC（復(fù)雜指令集 Complex Instruction Set Computing)到RISC (精簡(jiǎn)指令集 Reduced Instruction Set Computing)。在20世紀(jì)80年代，諸如RISC、超量標(biāo)處理器、多層緩存、預(yù)測(cè)技術(shù)、編譯優(yōu)化等體系結(jié)構(gòu)創(chuàng)新頻頻推出，計(jì)算機(jī)性能在每年能夠提升約60%，迎來(lái)了第一個(gè)黃金時(shí)代。

后摩爾定律時(shí)代，挑戰(zhàn)與機(jī)遇

黃金時(shí)代并沒(méi)有延續(xù)，自上世紀(jì)90年代到21世紀(jì)初，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)創(chuàng)新開(kāi)始放緩。與此同時(shí)，摩爾定律和登納德縮放比例定律（Dennard Scaling 1974年Dennar發(fā)布預(yù)測(cè)，說(shuō)晶體管尺寸變小則功耗會(huì)同比變小) 也在放緩和接近停滯。在Patterson教授看來(lái)，這帶來(lái)了兩個(gè)挑戰(zhàn)：

性能提升減緩：?jiǎn)翁幚砥鞯暮诵男阅苊磕晏嵘室呀?jīng)下降到3%；

安全性問(wèn)題：之前一直以軟件和系統(tǒng)來(lái)提升安全性而忽略對(duì)硬件安全性的把控，由于計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)漏洞，Spectre和Meltdown這類病毒也有了可乘之機(jī)。

面對(duì)后摩爾時(shí)代困境，Patterson教授認(rèn)為這到了計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)下一個(gè)黃金時(shí)代，在軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)安全性，以及芯片設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程等方面都存在著創(chuàng)新機(jī)會(huì)：

軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)：對(duì)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、圖計(jì)算等需要高性能計(jì)算的領(lǐng)域，可以用專用體系結(jié)構(gòu)和語(yǔ)言來(lái)提升芯片速度和性能；

安全性：在防信息泄露和邊道攻擊等安全性問(wèn)題上，需要從體系結(jié)構(gòu)角度進(jìn)行優(yōu)化；

開(kāi)源體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：對(duì)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行開(kāi)源，特別是指令集架構(gòu)進(jìn)行開(kāi)源；

芯片開(kāi)發(fā)流程： 用敏捷開(kāi)發(fā)(Agile Development)的方式縮短芯片開(kāi)發(fā)時(shí)間并降低成本，反復(fù)迭代以流片（tape-out)驗(yàn)證有價(jià)值的芯片設(shè)計(jì)方案。