從計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)看操作系統(tǒng)

計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)正在消亡 (Architecture is dying)？其背后可能是對傳統(tǒng)的馮·諾伊曼體系結(jié)構(gòu)在應(yīng)對多樣化應(yīng)用時局限的無奈，以及對摩爾定律的放緩甚至終結(jié)的擔(dān)心。那么，計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)又將面對怎樣的未來呢？

1. 關(guān)于計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)

計算機(jī)體系架構(gòu)（Computer Architecture）泛指計算機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計的各個方面，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)與計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)是推動信息技術(shù)創(chuàng)新的兩個核心技術(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)計師再也不能“無償?shù)亍泵?8個月將設(shè)計中的晶體管數(shù)量提高一倍。而計算機(jī)體系架構(gòu)演進(jìn)導(dǎo)致了性能的增長，帶來的各種好處顯而易見。自1985年以來，計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的革新貢獻(xiàn)了約80倍 的性能增長，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)與計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新是對上層應(yīng)用透明的，應(yīng)用與軟件的開發(fā)人員們無需參與底層技術(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，但已不像過去那樣了，單個晶體管的功耗已不能很好地按比例縮小。由于傳感器、移動設(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，必須考慮各種手段來緩解功耗增長。納米級特征的制造偏差，嚴(yán)重地降低了晶體管的長期可靠性。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)，必須通過局部性原理來管理計算部件之間的通信，從而實(shí)現(xiàn)合理的成本和能耗目標(biāo)。設(shè)計、驗(yàn)證、制造和測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，在失去幾近完美的工藝技術(shù)按比例縮小所帶來的好處時，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角度去讓計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)來增加價值？

2. 對計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的需求是什么？

新應(yīng)用場景的不斷涌現(xiàn)，對計算能力的需求在日益增長。在物聯(lián)網(wǎng)時代，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)容無處不在，數(shù)字化信息在爆炸式增長。出于健康、商業(yè)和其他目，處理此類數(shù)據(jù)需要高效地平衡計算、通信和存儲的關(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計算。很多數(shù)據(jù)流產(chǎn)生數(shù)據(jù)如此之快，以至存儲在成本上不可行，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)衡提出了對混合架構(gòu)的需求，在節(jié)約能耗的同時有效地降低數(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，計算資源必須隨時可用，并隨時準(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9的可用性（每年僅5分鐘的不可用時間），但實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)仍然花費(fèi)巨大。這就要求計算機(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。

隨著我們對數(shù)據(jù)的依賴不斷增加，會變得更加依賴對計算性能的權(quán)衡，以確保可用、隱私和安全的交易。信息安全要優(yōu)先考慮，而目前的計算系統(tǒng)極易受攻擊。網(wǎng)絡(luò)信息戰(zhàn)不再是假象，通過互聯(lián)網(wǎng)，對政府網(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。

3. 對計算體系結(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候都重要；對一些植入式醫(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題，并且定義系統(tǒng)結(jié)構(gòu)級界面，以使硬件作為可信源更高效地支持安全服務(wù)。

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

計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)必須超越那種優(yōu)化每一個孤立設(shè)備的情況，接受跨環(huán)境協(xié)同設(shè)計帶來的挑戰(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算。大規(guī)模計算的需求只能通過將成百上千個處理器的能力合并成為一個大規(guī)模分布式計算機(jī)才能完成，互聯(lián)網(wǎng)搜索引擎已經(jīng)展示出這種計算范式的社會重要性。

由于用戶界面對于計算能力的要求越來越高，例如多點(diǎn)觸控、語音識別、AR/VR、全息影像、3D場景重建等等，甚至移動應(yīng)用也正向數(shù)據(jù)和計算密集型轉(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/瓦提升若干個數(shù)量級。對于運(yùn)行時而言，計算機(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態(tài)地適應(yīng)云端上行可靠性和能效的變化。

也就是說，計算機(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)

針對服務(wù)器領(lǐng)域的能耗解決方案與針對便攜設(shè)備領(lǐng)域的解決方案有著顯著的差異。然而，無論是對高端的服務(wù)器領(lǐng)域還是便攜、傳感器設(shè)備領(lǐng)域，對計算性能永無止境的需求都將使得功耗、能耗和散熱成為計算機(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的程序員對整個機(jī)器進(jìn)行控制，又可以對普通程序員提供簡單的局部性模型。在應(yīng)用層，需要高能效的算法級策略來減少操作數(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。 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，同時兼顧二進(jìn)制代碼的可靠性。

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

3.3 工藝技術(shù)的挑戰(zhàn)

新技術(shù)和新工藝驅(qū)動了電路、功能單元、微結(jié)構(gòu)和計算機(jī)系統(tǒng)的新型設(shè)計。非易失性存儲技術(shù)可以提供很高的存儲密度和功 率效率，但需要針對器件能力重新設(shè)計內(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，但仍需面對電子設(shè)計自動化、設(shè)計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)計等；異構(gòu)計算更是挑戰(zhàn)著在寄存器傳輸級設(shè)計之前對系統(tǒng)建模的能力，還要面對著結(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)。

過去，人們關(guān)注的是軟件工程技術(shù)， 以性能和能耗為代價提高編程者的生產(chǎn)率。當(dāng)能效以及其他目標(biāo)變得更加重要時，需要新的技術(shù)來削減編程抽象層次，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、動態(tài)腳本語言如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傳遞給硬件，從而獲得更高的效率與有價值的新功能?？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)移動的同步原語，支持異構(gòu)并行。

當(dāng)然，這需要能夠清晰地識別長期數(shù)據(jù)及程序依賴關(guān)系，以便軟硬件調(diào)度器能夠動態(tài)地識別代碼中的關(guān)鍵路徑。沒有分析、管理與優(yōu)化通信的能力，則沒有辦法保證性能、能耗與服務(wù)質(zhì)量的目標(biāo)。當(dāng)考慮大數(shù)據(jù)應(yīng)用場景時，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)管理會變得更加復(fù)雜?，F(xiàn)有的系統(tǒng)缺乏合適的軟硬件抽象層來描述通信關(guān)系。

對可靠性而言，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)行起來能效更高。所有的這些接口都可以從合適的計算機(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。

4. 計算體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢

4.1 硬件設(shè)計大眾化

開發(fā)硬件必須像開發(fā)軟件一樣簡單、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 ，此類能效的提升對于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用至關(guān)重要。“大眾化”的硬件設(shè)計， 也就是讓硬件設(shè)計變得像軟件設(shè)計那樣敏捷、便宜和開放。軟件開發(fā)團(tuán)隊可以利用豐富的、擁有現(xiàn)成 的可重用部件的生態(tài)系統(tǒng)， 使用高級語言加速提高單個開發(fā)者的能力，并依靠強(qiáng)大和自動化的程序分析、綜合、測試和調(diào)試來保 證品質(zhì)。

4.2 云計算是對計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的抽象

云計算利用規(guī)模化不僅是為了自身業(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算機(jī)架構(gòu)。無論是高端的超級計算 機(jī)，還是商業(yè)的云端產(chǎn)品，GPU 變得無處不在，FPGA也促進(jìn)其數(shù)據(jù)中心的計算專用化。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，在消費(fèi)者對特定資源的需求具有時變、 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。超額訂購對云計算的成本結(jié)構(gòu)很重要，和單獨(dú)的消費(fèi)者購買專屬資源比較，它使得云供應(yīng)商以極低的價格提供 IT資源。

4.3 垂直化趨勢

3D 集成為芯片設(shè)計提供了一個新的擴(kuò)展維度， 盡管摩爾定律終結(jié)了，仍然可以在一個單系統(tǒng)上集成更多的晶體管，可以從 3個維度縮減互聯(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 計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)“更接近物理層”

新的存儲器件正在進(jìn)入商用化，與傳統(tǒng)存儲層次部件相比，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?？尚械?。量子計算和超導(dǎo)邏輯，能夠提供 “免費(fèi)”的通信，傳輸信號幾乎不消耗能量 。DNA 計算已經(jīng)演示了簡單的邏輯操作，許多成果也表明了 DNA 作為存儲器和納米結(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)和近似計算等技術(shù)。

5. 一句話小結(jié)

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