圖靈獎得主 David Patterson：摩爾定律終結，計算機體系結構正迎來下一個黃金時代

幾十年來，隨著半導體晶片製程發展，晶體尺寸在不斷逼近物理極限，摩爾定律也在被質疑和自我證明間徘徊。對於此，2017年圖靈獎得主、加州柏克萊大學計算機科學教授、Google 傑出工程師 David Patterson 表示：「現在，摩爾定律真的結束了，計算機體系結構將迎來下一個黃金時代。」

作為計算機體系結構宗師，David Patterson 曾帶領柏克萊團隊起草了精簡指令集 RISC-1，奠定 RISC 架構基礎，該架構後來被當時的巨頭「太陽微電子」（Sun Microsystem，後來被甲骨文收購）選中用來製作 Sparc 處理器。

他與史丹佛大學前校長、Google 母公司 Alphabet 現董事長 John Hennessey 合作的《計算機體系結構：量化研究方法》開創性地提供了體系結構的分析和科學框架，至今都是該領域的經典教材。2016年從柏克萊退休後，David Patterson 以傑出工程師身份加入 Google Brain 團隊，為兩代 TPU 研發做出了卓越貢獻。

2018年3月，David Patterson 與 John Hennessey 共同獲得2017年度 ACM 圖靈獎，以表彰他們在計算機體系結構的設計和評估方面開創了一套系統的、量化的方法，並對微處理器產生了深遠的影響。

親歷計算機體系結構發展50年，這個領域都發生了哪些變化？後摩爾定律時代會有哪些機遇和挑戰？AI 晶片創業熱潮下，晶片架構會朝哪個方向走？

近日，David Patterson 在清華大學就《計算機體系結構，下一個黃金時代》這一主題進行了演講，會後也接受了專訪。

1980年代，計算機體系架構的第一個黃金時代

回顧計算機體系結構發展歷程，Patterson 教授提到三個關鍵節點：

1960年代，IBM 有四個不兼容的計算機系列和四個不同的指令集，這意味著有四種完全不同的計算機語言和軟體棧。面對這一問題，IBM想到「直接用單個指令集統一一切」，因此基於 Maurice Wilkes 提到的「設計處理器單元」這一概念推出了 IMB 360。

IBM 這一設計引領了微處理器的發展，人們發現原來不需要那麼多晶片，只用一個就夠了。在這種情況下，Intel 為了佔得市場空間，被迫啟動了新計畫，最終推出了 Intel 8086微處理器，在當時獲得了超過1億美金銷售額，被認為是「晶片的未來」。

下一個階段則是將指令集由繁至簡，也就是從 CISC（複雜指令集 Complex Instruction Set Computing)到 RISC (精簡指令集 Reduced Instruction Set Computing)。在1980年代，諸如 RISC、超量標處理器、多層緩衝、預測技術、編譯優化等體系結構創新頻頻推出，計算機性能在每年能夠提升約60%，迎來了第一個黃金時代。

後摩爾定律時代，挑戰與機遇

黃金時代並沒有延續，自1990年代到21世紀初，計算機體系結構創新開始放緩。與此同時，摩爾定律和登納德縮放比例定律（Dennard Scaling 1974年 Dennar 發佈預測，說晶體尺寸變小則功耗會同比變小) 也在放緩和接近停滯。在 Patterson 教授看來，這帶來了兩個挑戰：

• 性能提升減緩：單處理器的核心性能每年提升率已經下降到3%；

• 安全性問題：之前一直以軟體和系統來提升安全性而忽略對硬體安全性的把控，由於計算機體系結構的設計漏洞，Spectre 和 Meltdown 這類病毒也有了可乘之機。

面對後摩爾時代困境，Patterson 教授認為這到了計算機體系結構下一個黃金時代，在軟硬體協同設計、計算機體系結構安全性，以及晶片設計開發流程等方面都存在著創新機會：

• 軟硬體協同設計：對於神經網路、繪圖運算等需要高性能計算的領域，可以用專用體系結構和語言來提升晶片速度和性能；

• 安全性：在防資訊洩露和邊道攻擊等安全性問題上，需要從體系結構角度進行優化；

• 開源體系結構設計：對計算機體系結構進行開源，特別是指令集架構進行開源；

• 晶片開發流程： 用敏捷開發(Agile Development)的方式縮短晶片開發時間並降低成本，反覆更新以流片（tape-out)驗證有價值的晶片設計方案。

說到開源體系結構設計，Patterson 教授特別提到了 RISC-V。這是一個基於 RISC 原則的開源指令集架構，於2010年由 David Patterson 和他的同事 Krste Asanovic 還有學生們共同創立。

該指令集以精簡、高效、低能耗、模組化、可拓展、免費開放等為發展目標。2015年，RISC-V 成立了基金會，發展至今，除了 Intel 和 ARM 外，幾乎所有知名大公司都參與其中。

▲ RISC-V Foundation 的部分合作成員企業

提及 RISC-V 的商業價值，Patterson 教授表示：RISC-V 最早的成功應用應該會在物聯網上。該指令集的設計可以適用於現代計算設備，同時能耗也較低，無論是智慧手機還是其他微小的嵌入式系統都可應用。作為開源指令集架構，未來3-5年，RISC-V 會為更多企業或晶片開發者使用，更多設備也將搭載基於 RISC-V 架構的晶片。接下來，晶片運算和採集收集到的資料將彙集為資料中心，這也為未來邊緣計算方面的應用提供積累。

45家創業公司入局，機器學習的計算機架構要讓市場決定

Patterson 教授之前在多個場合中都提到：對新的計算機體系架構和語言來說，對算力要求極高的機器學習或許是最適合的應用情境。

然而，不管是在中國還是美國，諸多公司都在針對機器學習進行架構研發。矽谷大公司裡有像Google 的TPU、英偉達的 GPU 等，中國的華為、地平線、寒武紀、深鑑也紛紛入局。據 Patterson 所知，在這個領域至少有45家硬體公司在進行角逐。

對於機器學習計算機架構的未來走向，Patterson 教授認為應該交由市場去解答。在他看來，像 Google 這樣的大公司是把 TPU 作為 Google Cloud 上的一項服務進行售賣，而觸達核心技術的架構或者晶片則絕不外流。在當下，機器學習對於新計算機體系架構需求越發旺盛，創業公司自己研發架構，並推出晶片是不錯的創新機會。

▲ 2017年圖靈獎得主：（左）前史丹佛大學校長、Google 母公司 Alphabet 董事長 John L. Hennessy，（右）David Patterson

2017年之前，圖靈獎多授予在軟體、系統層面有建樹的教授和學者，然而這一次卻頒給了硬體，這是否標誌著未來技術發展趨勢會「從軟變硬」呢？Patterson 教授表示：未來一定是軟硬協同開發並行的。從前，人們認為做軟體很酷，少有人兩者都涉獵，硬體創業公司也屈指可數。然而近年來從業者和投資人們都發現，無論是做機器學習還是之後深度學習、強化學習，只做軟體或者硬體都是不夠的。體系結構設計者不僅需要瞭解底層器件、晶片工藝等，更需要瞭解編譯器和程式語言，軟硬結合才是後摩爾時代適用的新方法。