36氪专访 | 图灵奖得主 David Patterson：摩尔定律终结，计算机体系结构正迎来下一个黄金时代

1965年，作为Intel创始人之一的Gordon Moore做出了预言：价格不变时，半导体芯片中可容纳的元器件数目约每两年会翻一倍，其性能也会同比提升。经过后来多年数据论证，这个时间周期实际在18个月上下。

几十年来，随着半导体芯片制程工艺发展，晶体管尺寸在不断逼近物理极限，摩尔定律也在被质疑和自我证明间徘徊。 对于此，2017年图灵奖得主、加州伯克利大学计算机科学教授、谷歌杰出工程师David Patterson表示：“现在，摩尔定律真的结束了，计算机体系结构将迎来下一个黄金时代。”

作为计算机体系结构宗师，David Patterson曾带领伯克利团队起草了精简数据集RISC-1，奠定RISC架构基础，该架构后来被当时的巨头「太阳微电子」（Sun Microsystem，后来被甲骨文收购）选中用来制作Sparc处理器。他与斯坦福大学前校长、Google母公司Alphabet现董事长John Hennessey合作的《计算机体系结构：量化研究方法》开创性地提供了体系结构的分析和科学框架，至今都是该领域的经典教材。2016年从伯克利退休后，David Patterson以杰出工程师身份加入Google Brain团队，为两代TPU研发做出了卓越贡献。

2018年3月，David Patterson与John Hennessey共同获得2017年度ACM图灵奖，以表彰他们在计算机体系结构的设计和评估方面开创了一套系统的、量化的方法，并对微处理器行业产生了深远的影响。

亲历计算机体系结构发展50年，这个领域都发生了哪些变化？后摩尔定律时代会有哪些机遇和挑战？AI芯片创业热潮下，芯片架构会朝哪个方向走？

近日，David Patterson在清华大学就《计算机体系结构，下一个黄金时代》这一主题进行了演讲。36氪也围绕上述问题，对Patterson教授进行了专访。

上世纪八十年代，计算机体系架构的第一个黄金时代

回顾计算机体系结构发展历程，Patterson教授提到三个关键节点：

20世纪60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栈。面对这一问题，IBM想到“直接用单个指令集统一一切”，因此基于Maurice Wilkes提到的“设计处理器单元”这一概念推出了IMB 360。

IBM这一举措引领了微处理器的发展，人们发现原来不需要那么多芯片，只用一个就够了。在这种情况下，Intel为了占得市场空间，被迫启动了新项目，推出了Intel 8086微处理器，在当时获得了超过1亿美金销售额，被认为是“芯片的未来”。

下一个阶段则是将指令集由繁至简，也就是从CISC（复杂指令集 Complex Instruction Set Computing)到RISC (精简指令集 Reduced Instruction Set Computing)。 在20世纪80年代，诸如RISC、超量标处理器、多层缓存、预测技术、编译优化等体系结构创新频频推出，计算机性能在每年能够提升约60%，迎来了第一个黄金时代。

后摩尔定律时代，挑战与机遇

黄金时代并没有延续，自上世纪90年代到21世纪初，计算机体系结构创新开始放缓。 与此同时，摩尔定律和登纳德缩放比例定律（Dennard Scaling 1974年Dennar发布预测，说晶体管尺寸变小则功耗会同比变小) 也在放缓和接近停滞。在Patterson教授看来，这带来了两个挑战：

• 性能提升减缓 ：单处理器的核心性能每年提升率已经下降到3%；

• 安全性问题 ：之前一直以软件和系统来提升安全性而忽略对硬件安全性的把控，由于计算机体系结构的设计漏洞，Spectre和Meltdown这类病毒也有了可乘之机。

面对后摩尔时代困境，Patterson教授认为这到了计算机体系结构下一个黄金时代，在软硬件协同设计、计算机体系结构安全性，以及芯片设计开发流程等方面都存在着创新机会：

• 软硬件协同设计：对于神经网络、图计算等需要高性能计算的领域，可以用专用体系结构和语言来提升芯片速度和性能；

• 安全性：在防信息泄露和边道攻击等安全性问题上，需要从体系结构角度进行优化；

• 开源体系结构设计：对计算机体系结构进行开源，特别是指令集架构进行开源；

• 芯片开发流程： 用敏捷开发(Agile Development)的方式缩短芯片开发时间并降低成本，反复迭代以流片（tape-out)验证有价值的芯片设计方案。

说到开源体系结构设计，Patterson教授特别提到了RISC-V。这是一个基于RISC原则的开源指令集架构，于2010年由David Patterson和他的同事Krste Asanovic还有学生们共同创立。

该指令集以精简、高效、低能耗、模块化、可拓展、免费开放等为发展目标。2015年，RISC-V成立了基金会，发展至今，除了Intel和ARM外，几乎所有知名大公司都参与其中。 Patterson告诉36氪，当前，RISC-V基金会中有约15%的成员企业来自中国，目前大概有100余家公司和团队在基于RISC-V架构进行芯片开发。

RISC-V Foundation的部分合作成员企业

提及RISC-V的商业价值，Patterson教授表示：RIS C-V最早的成功应用应该会在物联网上 。该指令集的设计可以适用于现代计算设备，同时能耗也较低，无论是智能手机还是其他微小的嵌入式系统都可应用。作为开源指令集架构，未来3-5年，RISC-V会为更多企业或芯片开发者使用，更多设备也将搭载基于RISC-V架构的芯片。接下来，芯片运算和采集收集到的数据将汇集为数据中心，这也为未来边缘计算方面的应用提供积累。

45家创业公司入局，机器学习的计算机架构要让市场决定

Patterson教授之前在多个场合中都提到： 对新的计算机体系架构和语言来说，对算力要求极高的机器学习或许是最适合的应用场景 。

然而，不管是在中国还是美国，诸多公司都在针对机器学习进行架构研发。硅谷大公司里有像谷歌的张量处理单元（TPU）、英伟达的GPU等，国内的华为、地平线、寒武纪、深鉴也纷纷入局。据Patterson所知，在这个领域至少有45家硬件公司在进行角逐。

对于机器学习计算机架构的未来走向，Patterson教授认为应该交由市场去解答。在他看来，像Google这样的大公司是把TPU作为Google Cloud上的一项服务进行售卖，而触达核心技术的架构或者芯片则绝不外流。在当下，机器学习对于新计算机体系架构需求越发旺盛，创业公司自己研发架构，并推出芯片是不错的创新机会。

2017年图灵奖得主：（左）前斯坦福大学校长、Google母公司Alphabet董事长John L. Hennessy，（右）David Patterson

2017年之前，图灵奖多授予在软件、系统层面有建树的教授和学者，然而这一次却颁给了硬件，这是否标志着未来技术发展趋势会“从软变硬”呢？ Patterson教授表示：

未来一定是软硬协同开发并行的。从前，人们认为做软件很酷，少有人两者都涉猎，硬件创业公司也屈指可数。然而近年来从业者和投资人们都发现，无论是做机器学习还是之后深度学习、强化学习，只做软件或者硬件都是不够的。 体系结构设计者不仅需要了解底层器件、芯片工艺等，更需要了解编译器和编程语言，软硬结合才是后摩尔时代适用的新方法。

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