图灵奖获得者大卫·帕特森（David Patterson）: 摩尔定律终结了

1965年，英特尔的创始人之一戈登·摩尔（Gordon Moore）做出了一个预测: 价格不变时，半导体芯片中可容纳的组件数量大约每两年增加一倍，并且性能还将提高. 去年同期. 经过多年的数据演示，该时间段实际上是18个月左右.

几十年来，随着半导体芯片制造工艺的发展，晶体管的尺寸一直逼近物理极限，摩尔定律也在质疑和自我证明之间徘徊. 为此，2017年图灵奖得主，加州大学伯克利分校计算机科学教授，著名的Google工程师David Patterson表示: “时代. ”

作为计算机体系结构大师，David Patterson带领伯克利团队起草了精简的数据集RISC-1，奠定了RISC体系结构的基础，后来被当时的巨型Sun Microsystem（后来被Oracle收购）选择了RISC体系结构. 制作Sparc处理器. 他与斯坦福大学前校长，谷歌母公司Alphabet现任John Hennessey合作，“计算机体系结构: 定量研究方法”，该方法开创了体系结构的分析和科学框架，至今仍是该领域的经典教科书. . 在2016年从伯克利退休后，他加入Google Brain团队，为两代TPU的研发做出了杰出贡献.

2018年3月，David Patterson和John Hennessey共同获得了2017年ACM图灵奖，以表彰他们在计算机体系结构设计和评估中率先使用系统和定量方法的成就.

经历了50年的计算机体系结构发展，这一领域发生了什么变化？后摩尔定律时代有哪些机遇和挑战？在AI芯片创业热潮中，芯片架构将朝哪个方向发展？

在1980年代，计算机架构的第一个黄金时代

在回顾计算机体系结构的发展时，帕特森教授提到了三个关键节点:

在1960年代，IBM有四个不兼容的计算机系列和四个不同的指令集，这意味着有四种完全不同的计算机语言和软件堆栈. 面对这个问题，IBM想到了“通过一个指令集直接统一所有内容”，因此IMB 360的推出是基于Maurice Wilkes提到的“设计处理器单元”的概念.

IBM的举动引领了微处理器的发展. 人们发现他们不需要那么多的芯片，只需要一个就足够了. 在这种情况下，为了占领市场空间，英特尔被迫启动一个新项目并推出了英特尔8086微处理器. 当时，它获得了超过1亿美元的销售额，这被认为是“芯片的未来”.

下一步是将指令集从复杂简化为简单高性能计算机体系结构有哪些，即从CISC（复杂指令集计算）到RISC（精简指令集计算）. 在1980年代，经常引入诸如RISC，超标量处理器，多层缓存，预测技术和编译优化之类的架构创新. 进入第一个黄金时代，计算机性能每年可以提高约60％.

Post Moore的法律时代，挑战与机遇

黄金时代没有持续. 从1990年代到2000年代初期，计算机体系结构的创新开始放缓. 同时，摩尔定律和丹纳德定标定律（Dennard Scaling 1974 Dennar预测高性能计算机体系结构有哪些，晶体管尺寸越小，功耗将逐年降低）也正在放缓并且接近停滞状态. 帕特森教授认为，这带来了两个挑战:

性能提升放慢: 单处理器核心性能每年降低到3％；

安全性问题: 以前，软件和系统已用于提高安全性并忽略对硬件安全性的控制. 由于计算机体系结构中的设计漏洞，诸如Spectre和Meltdown之类的病毒也有机会.

面对后摩尔时代的困境，帕特森教授认为这是计算机架构的下一个黄金时代. 在软硬件协同设计，计算机体系结构安全性以及芯片设计和开发过程中，存在创新机会:

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软硬件协同设计: 对于需要高性能计算的领域，例如神经网络和图形计算，可以使用特殊的体系结构和语言来提高芯片速度和性能;

安全性: 关于诸如信息泄漏预防和边信道攻击之类的安全性问题，需要从架构角度进行优化；

开源架构设计: 开源计算机架构，尤其是开源指令集架构；

芯片开发过程: 使用敏捷开发可缩短芯片开发时间并降低成本，并通过流片迭代进行迭代，以验证有价值的芯片设计解决方案.

在谈到开源体系结构设计时，Patterson教授特别提到了RISC-V. 这是基于RISC原理的开源指令集体系结构. 它是由David Patterson，他的同事Krste Asanovic和学生于2010年共同创立的.

该指令集旨在精简，高效，低能耗，模块化，可扩展，自由开放. 2015年，RISC-V建立了基金会. 自开发以来，有许多巨头，例如Google，IBM和Oracle. Patterson告诉36 Krypton，目前RISC-V基金会中约有50％的会员公司来自中国，目前有200多家公司和团队基于RISC-V架构开发芯片.

RISC-V基金会的一些合作成员公司

关于RISC-V的商业价值，Patterson教授说: RISC-V最早成功的应用应该是在物联网中. 指令集的设计可以应用于现代计算设备，同时能耗也很低，无论是智能手机还是其他小型嵌入式系统都可以应用. 作为一种开源指令集体系结构，RISC-V将在未来3-5年内被更多的芯片开发人员所使用，并将被用于各种设备中. 接下来，通过芯片计算和收集收集的数据将被收集到一个数据中心，这也将为将来的边缘计算应用程序提供积累.

四十五家初创公司进入市场，机器学习的计算机体系结构应由市场决定

Patterson教授多次提到: 对于新的计算机体系结构和语言，要求高计算能力的机器学习可能是最合适的应用场景.

但是，无论是在中国还是美国，许多公司都在研究和开发机器学习的体系结构. 硅谷的大公司包括谷歌的Tensor Processing Unit（TPU），Nvidia的GPU等. 国内的华为，Horizo​​n，寒武纪和神剑也已加入. 根据Patterson的说法，至少有45家硬件公司在这一领域竞争.

对于机器学习计算机体系结构的未来趋势，Patterson教授认为市场应该对此做出回应. 在他看来，像Google这样的大公司会在Google Cloud上出售TPU作为服务，而涉及核心技术的架构或芯片将永远不会外流. 如今，在机器学习中，对新计算机系统体系结构的需求越来越强烈. 对于初创公司来说，这是一个很好的创新机会，可以开发自己的体系结构并发布芯片.

2017年图灵奖得主: （左）斯坦福大学前校长，谷歌母公司Alphabet约翰·轩尼诗（右）戴维·帕特森

在2017年之前，图灵奖主要授予在软件和系统方面取得成就的教授和学者，但这次是授予硬件. 这是否表示未来的技术发展趋势将“由软变硬”？帕特森教授说:

将来，必须并行开发软件和硬件. 过去，人们以为制作软件很酷，很少有人参与这两者，只有少数硬件初创公司. 但是，近年来，从业者和投资者都将发现，无论是机器学习还是深度学习和强化学习，仅做软件还是硬件都是不够的. 架构师不仅需要了解底层设备，芯片技术等，还需要了解编译器和编程语言. 软硬件的结合是后摩尔时代适用的新方法.

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