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2018图灵奖演讲
- 20世纪60年代早期，IBM的4种系列机型（相互独立）有着严重的机型不兼容的问题，因此出现了指令集。之后英国科学家Maurice Wilkes提出了微程序的概念和设计控制单元的方法。
- CISC诞生： 由于逻辑运算、RAM与ROM均以晶体管实现，半导体RAM与ROM具有类似的速度，摩尔定律以及RAM对微程序的重写能力，促使了复杂指令集（CISC）的诞生。
- 直到20世纪80年代，计算机行业逐渐从组成转向高级语言编程发展，编译器越来越重要。
- RISC的诞生：1980s，DEC公司发现，在VAX11/180中，其指令平均执行时间（CPI）较长，微程序的60%由20%指令组成，但其执行时间约只占0.2%，同时，复杂指令集扩展也导致了微程序出现诸多漏洞。这些问题引发了Patterson对新指令集的思考，并创建了新的精简指令集RISC。
- RISC的优势：
- 利用SRAM作为I cache，存储用户可见的指令
- 简单的ISA利于实现硬件流水线
- 具有更好的可集成的特性
- Chaitin的寄存器分配策略有益于load-store结构的ISA
- Dennard缩放定律的结束：晶体管面积的缩小使得其所消耗的电压以及电流会以差不多相同的比例缩小。但在晶体管越来越小时，量子隧穿效应开始介入，晶体管开始出现漏电现象，使得晶体管在更小的工艺时静态功耗反而增大，这导致了Dennard缩放定律终结
- 摩尔定律的结束：在成本不变的情况下，集成电路上可容纳的晶体管数目按照一定时间呈指数级增长。不过后来随着硅工艺发展趋于其物理瓶颈，摩尔定律开始滞缓，从1965年的一年翻一倍，1975年改为2年翻一倍，1997年又改为18个月翻一倍，最终，摩尔本人在2003年指出：摩尔定律还能坚持十年。
- Dark silicon问题：随着芯片集成度增大，为了在现有的散热技术上保证芯片不至于过热或功耗过大，多核芯片中有一部分和其余部分不能同时使用，出现了Dark silicon现象（不能同时使用的部分），Amdahl定律使得设计高性能的多核架构越来越难
- 如何提高现有技术对晶体管的利用率将是一条重要的思路？
- 当前，技术似乎已经达到了其极限，而能耗却增长迅速，能耗已作为最主要的芯片设计限制条件，体现了现有技术对晶体管的利用低效。
- 当前几乎所有的软件都必须构建安全系统，但仍存在软件缺陷，此时需要从硬件方面尝试解决。因此新的ISA的定义：What the machine language programmer must know to properly write a correct but timing-independent program
- 体系结构新机遇：专用软硬件协同设计、架构开源、敏捷硬件开发
- 专用架构的设计：将硬件架构进行定制并使其具备特定领域应用特征，使该领域的一系列应用任务都能高效执行
- 当前比较流行的专用架构包括：机器学习领域的神经网络处理器，图形图像、虚拟现实领域的图像处理器（GPUs），可编程网络交换机及接口等
- 专用架构采用单指令多数据流（SIMD）、用户控制与缓存技术，使其在并行性以及带宽利用率上相比通用架构更加高效，通过结合专用领域的编程语言，如OpenCL、tensorflow，可在应用任务上获得高水平的加速效果
- 同时专用架构可利用低精度的浮点或定点数运算，如将32bit或64bit的数据转化为8bit或16bit定点数据，可在精度允许范围内大幅降低硬件运算开销