還記得摩爾定律嗎？如果摩爾定律失效后怎么辦？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)目約每兩年會翻一倍，其性能也會同比提升。經(jīng)過后來多年數(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，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)起草了精簡數(shù)據(jù)集RISC-1，奠定RISC架構(gòu)基礎(chǔ)，該架構(gòu)后來被當(dāng)時(shí)的巨頭太陽微電子（Sun Microsystem，后來被甲骨文收購）選中用來制作Sparc處理器。他與斯坦福大學(xué)前校長、Google母公司Alphabet現(xiàn)董事長John Hennessey合作的《計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)：量化研究方法》開創(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年從伯克利退休后加入Google Brain團(tuán)隊(duì)，為兩代TPU研發(fā)做出卓越貢獻(xiàn)。

　　2018年3月，David Patterson與John Hennessey共同獲得2017年度ACM圖靈獎(jiǎng)，以表彰他們在計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和評估方面開創(chuàng)了一套系統(tǒng)的、量化的方法，并對微處理器行業(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)會朝哪個(gè)方向走？

　　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)語言和軟件棧。面對這一問題，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1億美金銷售額，被認(rèn)為是“芯片的未來”。

　　下一個(gè)階段則是將指令集由繁至簡，也就是從CISC（復(fù)雜指令集 Complex Instruction Set Computing）到RISC （精簡指令集 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，說晶體管尺寸變小則功耗會同比變?。?也在放緩和接近停滯。在Patterson教授看來，這帶來了兩個(gè)挑戰(zhàn)：

　　性能提升減緩：單處理器的核心性能每年提升率已經(jīng)下降到3%；

　　安全性問題：之前一直以軟件和系統(tǒng)來提升安全性而忽略對硬件安全性的把控，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)開發(fā)流程等方面都存在著創(chuàng)新機(jī)會：

　　軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)：對于神經(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)和語言來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題上，需要從體系結(jié)構(gòu)角度進(jìn)行優(yōu)化；

　　開源體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：對計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行開源，特別是指令集架構(gòu)進(jìn)行開源；

　　芯片開發(fā)流程： 用敏捷開發(fā)（Agile Development）的方式縮短芯片開發(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。

　　說到開源體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，Patterson教授特別提到了RISC-V。這是一個(gè)基于RISC原則的開源指令集架構(gòu)，于2010年由David Patterson和他的同事Krste Asanovic還有學(xué)生們共同創(chuàng)立。

　　該指令集以精簡、高效、低能耗、模塊化、可拓展、免費(fèi)開放等為發(fā)展目標(biāo)。2015年，RISC-V成立了基金會，發(fā)展至今，成員企業(yè)不乏Google、IBM、Oracle等巨頭。Patterson告訴36氪，當(dāng)前，RISC-V基金會中有約50%的成員企業(yè)來自中國，目前大概有200余家公司和團(tuán)隊(duì)在基于RISC-V架構(gòu)進(jìn)行芯片開發(fā)。

　　RISC-V Foundation的部分合作成員企業(yè)

　　提及RISC-V的商業(yè)價(jià)值，Patterson教授表示：RISC-V最早的成功應(yīng)用應(yīng)該會在物聯(lián)網(wǎng)上。該指令集的設(shè)計(jì)可以適用于現(xiàn)代計(jì)算設(shè)備，同時(shí)能耗也較低，無論是智能手機(jī)還是其他微小的嵌入式系統(tǒng)都可應(yīng)用。作為開源指令集架構(gòu)，未來3-5年，RISC-V會為更多芯片開發(fā)者使用，且會在各種設(shè)備中得到應(yīng)用。接下來，芯片運(yùn)算和采集收集到的數(shù)據(jù)將匯集為數(shù)據(jù)中心，這也為未來邊緣計(jì)算方面的應(yīng)用提供積累。

　　45家創(chuàng)業(yè)公司入局，機(jī)器學(xué)習(xí)的計(jì)算機(jī)架構(gòu)要讓市場決定

　　Patterson教授之前在多個(gè)場合中都提到：對新的計(jì)算機(jī)體系架構(gòu)和語言來說，對算力要求極高的機(jī)器學(xué)習(xí)或許是最適合的應(yīng)用場景。

　　然而，不管是在中國還是美國，諸多公司都在針對機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行架構(gòu)研發(fā)。硅谷大公司里有像谷歌的張量處理單元（TPU）、英偉達(dá)的GPU等，國內(nèi)的華為、地平線、寒武紀(jì)、深鑒也紛紛入局。據(jù)Patterson所知，在這個(gè)領(lǐng)域至少有45家硬件公司在進(jìn)行角逐。

　　對于機(jī)器學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)架構(gòu)的未來走向，Patterson教授認(rèn)為應(yīng)該交由市場去解答。在他看來，像Google這樣的大公司是把TPU作為Google Cloud上的一項(xiàng)服務(wù)進(jìn)行售賣，和觸達(dá)核心技術(shù)的架構(gòu)或者芯片是絕對不會外流的。在當(dāng)下，機(jī)器學(xué)習(xí)對于新計(jì)算機(jī)體系架構(gòu)需求越發(fā)旺盛，創(chuàng)業(yè)公司自己研發(fā)架構(gòu)，并推出芯片是不錯(cuò)的創(chuàng)新機(jī)會。

　　2017年圖靈獎(jiǎng)得主：（左）前斯坦福大學(xué)校長、Google母公司Alphabet董事長John L. Hennessy，（右）David Patterson

　　2017年之前，圖靈獎(jiǎng)多授予在軟件、系統(tǒng)層面有建樹的教授和學(xué)者，然而這一次卻頒給了硬件，這是否標(biāo)志著未來技術(shù)發(fā)展趨勢會“從軟變硬”呢？Patterson教授表示：

　　未來一定是軟硬協(xié)同開發(fā)并行的。從前，人們認(rèn)為做軟件很酷，少有人兩者都涉獵，硬件創(chuàng)業(yè)公司也屈指可數(shù)。然而近年來無論是從業(yè)者還是投資人都會發(fā)現(xiàn)，無論是做機(jī)器學(xué)習(xí)還是之后深度學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)，只做軟件或者硬件都是不夠的。體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者不僅需要了解底層器件、芯片工藝等，更需要了解編譯器和編程語言，軟硬結(jié)合才是后摩爾時(shí)代適用的新方法。（36氪）