日前，有著“計(jì)算機(jī)界的諾貝爾獎(jiǎng)”之稱的“圖靈獎(jiǎng)”揭開面紗。國(guó)際計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)宣布，美國(guó)科學(xué)家約翰·軒尼詩(shī)和大衛(wèi)·帕特森獲得2017年度圖靈獎(jiǎng)，以表彰二人開創(chuàng)了一種系統(tǒng)的、可量化的方法用以設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)計(jì)算機(jī)體系架構(gòu)，并對(duì)精簡(jiǎn)指令集（RISC）微處理器行業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

在國(guó)際計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)（ACM）官網(wǎng)公布的信息中，微軟公司創(chuàng)始人比爾·蓋茨評(píng)價(jià)軒尼詩(shī)和帕特森的貢獻(xiàn)為“已被證明為整個(gè)行業(yè)蓬勃發(fā)展的基石”。

將靈感設(shè)計(jì)變成可重復(fù)科學(xué)

說到此次獲獎(jiǎng)的RISC系統(tǒng)是什么，中科院計(jì)算技術(shù)研究所研究員、中科院“龍芯”CPU首席科學(xué)家胡偉武用工廠生產(chǎn)線向記者作了比喻。

“比如工廠生產(chǎn)線生產(chǎn)的產(chǎn)品大小、規(guī)格都一樣，效率就會(huì)很高。如果每個(gè)產(chǎn)品大小、規(guī)格都不同，則效率很低。”胡偉武說，RISC系統(tǒng)表面現(xiàn)象就是指令變得簡(jiǎn)單通用，而內(nèi)在邏輯則是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)起來比較高效，這是它的核心所在。

事實(shí)上，在計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的歷程中，人類一直在孜孜不倦地追求對(duì)其性能的提升，并獲得了一定的突破。

中科院計(jì)算所計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員、中科院計(jì)算所先進(jìn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)研究中心常務(wù)副主任包云崗告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者，這其中一方面是工藝層面的貢獻(xiàn)，也就是將晶體管做得越來越小，以便在同一芯片上安放更多的晶體管；另一方面在于如何充分利用晶體管，而這就需要體系結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)。

“有研究顯示，在過去20余年，體系結(jié)構(gòu)處理器性能提升了大約1萬倍，這其中體系結(jié)構(gòu)和工藝方面的貢獻(xiàn)各自占100倍左右?！卑茘徴f?！绑w系結(jié)構(gòu)使得處理器的性能變得很高效，程序的執(zhí)行時(shí)間從幾天變成幾分鐘?！?/p>

此次兩位科學(xué)家獲獎(jiǎng)更讓硬件研究者看到了希望?！霸诋?dāng)下各類應(yīng)用都比較多，人工智能、區(qū)塊鏈、大數(shù)據(jù)也都比較熱的情況下，‘圖靈獎(jiǎng)’卻頒給了計(jì)算機(jī)領(lǐng)域內(nèi)做底層硬件的兩位大師，這對(duì)我們做硬件的研究人員是一個(gè)極大的認(rèn)可和鼓舞?！敝锌圃河?jì)算所研究員韓銀和說。

顛覆設(shè)計(jì)理念

“如今，每年生產(chǎn)的超過160億枚微處理器中，99%都使用了RISC處理器，幾乎所有智能手機(jī)、平板電腦和嵌入式設(shè)備都會(huì)用到。”國(guó)際計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)網(wǎng)站有關(guān)軒尼詩(shī)和帕特森研究成果的介紹中，如此評(píng)價(jià)二者研究對(duì)產(chǎn)業(yè)的影響。

“整個(gè)芯片產(chǎn)業(yè)每年有幾千億美元的產(chǎn)值，他們確實(shí)對(duì)信息技術(shù)做出了巨大的貢獻(xiàn)?！卑茘彿Q。不過，專家分析稱，兩位科學(xué)家此次獲獎(jiǎng)還與其開創(chuàng)的新處理器設(shè)計(jì)方法對(duì)處理器設(shè)計(jì)帶來的顛覆性影響密切相關(guān)。

包云崗將此前處理器設(shè)計(jì)比作藝術(shù)設(shè)計(jì)?！霸O(shè)計(jì)出來，好就是好，不好就是不好，高手可以設(shè)計(jì)出佳作，而普通人卻只能望洋興嘆。”然而，軒尼詩(shī)和帕特森卻把處理器設(shè)計(jì)“為什么好”“怎么才能好”變成了一門可重復(fù)的科學(xué)。

二人不僅將處理器設(shè)計(jì)的透徹分析撰寫成《計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)：量化研究方法》一書，并且自己通過研制RISC處理器親自對(duì)書中的思想進(jìn)行了驗(yàn)證。

“這本書在全世界銷售了近百萬本，幾乎所有處理器設(shè)計(jì)者和系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)者人手一本，相當(dāng)于改變了人們傳統(tǒng)設(shè)計(jì)處理器的思想和觀念。”包云崗說。

近年來，我國(guó)在體系結(jié)構(gòu)研究上發(fā)展迅速，但國(guó)內(nèi)對(duì)體系結(jié)構(gòu)的研究特別是核心芯片和系統(tǒng)設(shè)計(jì)放，卻存在“跟隨美國(guó)的思維方式太重”的問題。

“在這個(gè)人工智能新時(shí)代背景下，中國(guó)企業(yè)需要用自己的發(fā)展思維，不斷縮小差距并趕超乃至領(lǐng)先?！?中科院計(jì)算所研究員、中科睿芯董事長(zhǎng)范東睿說。

對(duì)此胡偉武表現(xiàn)的更有信心。他表示，國(guó)內(nèi)指令體系技術(shù)已實(shí)現(xiàn)，比如龍芯CPU已實(shí)現(xiàn)了多指令發(fā)射和可程序“超車”功能，“只是火候上還差一點(diǎn)”。在他看來，再經(jīng)過兩三年的時(shí)間，我國(guó)自主研發(fā)的CPU性能將與國(guó)外主流CPU相當(dāng)。

未來前景可期

在各國(guó)積極構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)和發(fā)展人工智能的當(dāng)下，兩位科學(xué)家成果的影響還有望在新技術(shù)的推動(dòng)中進(jìn)一步得到延展。

“體系結(jié)構(gòu)是整個(gè)計(jì)算機(jī)復(fù)雜系統(tǒng)搭建的重要基石，在當(dāng)前最火熱的人工智能等熱點(diǎn)技術(shù)中都體現(xiàn)著最核心的價(jià)值。”范東睿表示。

物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，其本質(zhì)上是處理能力和效率的提升。在范東睿看來，物聯(lián)網(wǎng)和人工智能等應(yīng)用本身所體現(xiàn)出的高通量特性逐漸突出并成為瓶頸，高通量計(jì)算技術(shù)則成為了突破這一瓶頸的核心。

“芯片和系統(tǒng)能夠在限定功耗、限定時(shí)間的條件下算的更多更快，是物聯(lián)網(wǎng)、人工智能不斷發(fā)展的核心因素，這不但依靠工藝的進(jìn)步，更得益于體系結(jié)構(gòu)技術(shù)的不斷突破?！彼f。

事實(shí)上，物聯(lián)網(wǎng)比較重視處理器能耗，如果能夠設(shè)計(jì)一種很高性能功耗比的處理器，對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)具有很大吸引力。包云崗指出，二人的方法不僅可以用來指導(dǎo)高性能處理器，也可以指導(dǎo)低功耗處理器，并在兩者之間尋得平衡。

此外，采訪中專家也表示，此次“圖靈獎(jiǎng)”有可能為未來埋下了伏筆。包云崗介紹稱，此次獲獎(jiǎng)的帕特森對(duì)計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)還有兩大貢獻(xiàn)?！氨热绱鎯?chǔ)技術(shù)——磁盤冗余技術(shù)RAID，這項(xiàng)技術(shù)也開辟了一個(gè)新產(chǎn)業(yè)，今天的存儲(chǔ)市場(chǎng)有500億美元的產(chǎn)值，他在其中扮演了重要的角色?！彼f。

專家預(yù)測(cè)，未來獲獎(jiǎng)?wù)呋蛟S并非軒尼詩(shī)和帕特森本人，但極有可能他們的合作者會(huì)因?yàn)槠浼夹g(shù)研發(fā)摘得“圖靈獎(jiǎng)”。