专家与处理器架构未来.doc

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1、专家与处理器架构未来　　一年一度的ISSCC（InternationalSolidStateCircuitsConference的简称，中文名固态电路年会）正式拉开帷幕，在这个被称为“集成电路奥利匹克”的会议上，来自全球各地的专家齐聚一堂，探讨集成电路的未来。计算机体系专家DavidPaterson也在会议上发表了题为《50YearsofComputerArchitecture:fromMainframeCPUstoDNNTPUsandOpenRISC-V》的演讲，让我们看一下体系结构专家眼里的处理器未来。　　　　对过去处理器发展的回顾　　他表示，在20世纪60年代初，当时IBM同时拥

2、有4条完全不兼容的产品线（701➡7094、650➡7074、702➡7080和1401➡7010），IBM面临着非常严重的兼容性问题。其中每一条产品线都拥有各自完全独立的指令集体系结构(ISA)，I/O系统和二次存储，磁盘存储系统，汇编程序，编译器，库以及市场利基。　　　　这几条完全不兼容的产品线也使得当时的处理器设计变得异常复杂，设计者必须在数据存储路径和控制单元之间进行非常详细的区分。可以说，早期的计算机设计者所面临的最大问题就是控制单元的指令控制线是否正确，能够起到作用。　　　　此前，MauriceWilkes在1958年提出了用微程序设计的思想来设计控制单元，简化我们在设计过

3、程中所遇到的问题，这种情况之下，我们只需要考虑一下几个问题：ROM和RAM的价格问题，ROM比RAM便宜，而且ROM比RAM速度更快。　　　　随着IC技术、微指令和CISC的发展，Logic、RAM和ROM都应用了相同的晶体管；半导体RAM和ROM的速度也差不多；随着摩尔定律的发展，控制指令的存储空间也逐渐增加；允许更多的CISC；类似TTL服务器这样的小型计算机的出现，推动处理器产业进入了新阶段。　　　　伴随而来的是微处理器技术的革新。　　DavidPaterson表示，上世纪70年代，在MOS技术和主流ISA的推动下，计算机经历了快速的发展，出现了以Inteli432为代表的产品。

4、　　　　之后也推出了Intel8086等划时代的产品。　　　　之后就到了微指令机器的二十世纪八十年代。　　　　从CISC到RISC，架构面临瓶颈　　计算机发展之初，ROM比起RAM来说更便宜而且更快，所以并不存在片上缓存（cache）这个东西。在那个时候，复杂指令集（CISC）是主流的指令集架构。然而，随着RAM技术的发展，RAM速度越来越快，成本越来越低，因此在处理器上集成指令缓存成为可能。　　同时，由于当时编译器的技术并不纯熟，程序都会直接以机器码或是汇编语言写成，为了减少程序设计师的设计时间，逐渐开发出单一指令，复杂操作的程序码，设计师只需写下简单的指令，再交由CPU去执行。　　

5、　　但是后来有人发现，整个指令集中，只有约20％的指令常常会被使用到，约占整个程序的80％；剩余80％的指令，只占整个程序的20％。　　于是1979年，DavidPaterson教授提出了RISC的想法，主张硬件应该专心加速常用的指令，较为复杂的指令则利用常用的指令去组合。使用精简指令集（RISC）可以大大简化硬件的设计，从而使流水线设计变得简化，同时也让流水线可以运行更快。　　　　Paterson教授重申了评估处理器性能的指标，即程序运行时间。程序运行时间由几个因素决定，即程序指令数，平均指令执行周期数（CPI）以及时钟周期。程序指令数由程序代码，编译器以及ISA决定，CPI由ISA

6、以及微架构决定，时钟周期由微架构以及半导体制造工艺决定。对于RISC，程序指令数较多，但是CPI远好于CISC，因此RISC比CISC更快。　　　　据介绍，RISC有以下多个优点：　　指令长度固定，方便CPU译码，简化译码器设计。　　尽量在CPU的暂存器（最快的存储器元件）里操作，避免额外的读取与载入时间。　　由于指令长度固定，更能受益于执行线路管线化（pipeline）后所带来的效能提升。　　处理器简化，晶体管数量少，易于提升运作时脉。比起同时脉的CISC处理器，耗电量较低。　　　　除了CISC和RISC之外，另一种流行（过）的ISA是超长指令字（VLIW）。　　VLIW是美国Mul

7、tiflow和Cydrome公司于20世纪80年代设计的体系结构，主要应用于Trimedia（全美达）公司的Crusoe和Efficeon系列处理器中。AMD的Athlon64处理器系列也是采用这一指令系统，包括其服务器处理器版本Operon。　　　　同样Intel最新的IA－64架构中的EPIC也是从VLIW指令系统中分离出来的。VLIW架构采用了先进的EPIC（清晰并行指令）设计，我们也把这种构架叫做“IA-64架构”。每时钟周期例如IA-