計算機體系架構(gòu)獲“圖靈獎”

日前，有著“計算機界的諾貝爾獎”之稱的“圖靈獎”揭開面紗。國際計算機協(xié)會宣布，美國科學家約翰·軒尼詩和大衛(wèi)·帕特森獲得2017年度圖靈獎，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)計和評價計算機體系架構(gòu)，并對精簡指令集（RISC）微處理器行業(yè)產(chǎn)生深遠影響。

在國際計算機協(xié)會（ACM）官網(wǎng)公布的信息中，微軟公司創(chuàng)始人比爾·蓋茨評價軒尼詩和帕特森的貢獻為“已被證明為整個行業(yè)蓬勃發(fā)展的基石”。

將靈感設(shè)計變成可重復科學

說到此次獲獎的RISC系統(tǒng)是什么，中科院計算技術(shù)研究所研究員、中科院“龍芯”CPU首席科學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，效率就會很高。如果每個產(chǎn)品大小、規(guī)格都不同，則效率很低?！焙鷤ノ湔f，RISC系統(tǒng)表面現(xiàn)象就是指令變得簡單通用，而內(nèi)在邏輯則是系統(tǒng)實現(xiàn)起來比較高效，這是它的核心所在。

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

中科院計算所計算機體系結(jié)構(gòu)國家重點實驗室研究員、中科院計算所先進計算機系統(tǒng)研究中心常務(wù)副主任包云崗告訴《中國科學報》記者，這其中一方面是工藝層面的貢獻，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。

“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)行時間從幾天變成幾分鐘?！?/p>

此次兩位科學家獲獎更讓硬件研究者看到了希望。“在當下各類應(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’卻頒給了計算機領(lǐng)域內(nèi)做底層硬件的兩位大師，這對我們做硬件的研究人員是一個極大的認可和鼓舞?！敝锌圃河嬎闼芯繂T韓銀和說。

顛覆設(shè)計理念

“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、平板電腦和嵌入式設(shè)備都會用到?！眹H計算機協(xié)會網(wǎng)站有關(guān)軒尼詩和帕特森研究成果的介紹中，如此評價二者研究對產(chǎn)業(yè)的影響。

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

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

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

“這本書在全世界銷售了近百萬本，幾乎所有處理器設(shè)計者和系統(tǒng)軟件設(shè)計者人手一本，相當于改變了人們傳統(tǒng)設(shè)計處理器的思想和觀念?！卑茘徴f。

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

“在這個人工智能新時代背景下，中國企業(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?！?中科院計算所研究員、中科睿芯董事長范東睿說。

對此胡偉武表現(xiàn)的更有信心。他表示，國內(nèi)指令體系技術(shù)已實現(xiàn)，比如龍芯CPU已實現(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”。在他看來，再經(jīng)過兩三年的時間，我國自主研發(fā)的CPU性能將與國外主流CPU相當。

未來前景可期

在各國積極構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)和發(fā)展人工智能的當下，兩位科學家成果的影響還有望在新技術(shù)的推動中進一步得到延展。

“體系結(jié)構(gòu)是整個計算機復雜系統(tǒng)搭建的重要基石，在當前最火熱的人工智能等熱點技術(shù)中都體現(xiàn)著最核心的價值?！狈稏|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?？磥?，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步，更得益于體系結(jié)構(gòu)技術(shù)的不斷突破?！彼f。

事實上，物聯(lián)網(wǎng)比較重視處理器能耗，如果能夠設(shè)計一種很高性能功耗比的處理器，對于物聯(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高性能處理器，也可以指導低功耗處理器，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”有可能為未來埋下了伏筆。包云崗介紹稱，此次獲獎的帕特森對計算機產(chǎn)業(yè)還有兩大貢獻?！氨热绱鎯夹g(shù)——磁盤冗余技術(shù)RAID，這項技術(shù)也開辟了一個新產(chǎn)業(yè)，今天的存儲市場有500億美元的產(chǎn)值，他在其中扮演了重要的角色。”他說。

專家預測，未來獲獎?wù)呋蛟S并非軒尼詩和帕特森本人，但極有可能他們的合作者會因為其技術(shù)研發(fā)摘得“圖靈獎”。