“有一天你醒来后会发现世界可以被征服…”——奥斯丁格罗斯曼

大卫•帕特森博士最新的接受者的ACM图灵奖上午约翰轩尼诗,开始了他的开场白在他谈论过去,现在和未来的处理器和ISA(指令集架构)设计在年度晚餐会议IEEE-CNSV(IEEE顾问网络硅谷)。与此同时,我发现我坐在餐桌对面在圣克拉拉的中国斯蒂克斯餐馆斯坦Mazor与Ted Hoff英特尔定义的ISA英特尔4004 -世界上第一个商用微处理器。你可能不可能更合适的晚餐同伴全面讨论计算机体系结构。

账户的中心主题是晚上,帕特森的讨论关注账户是从哪里来的,他们是如何进化自1940年代以来在过去的几十年里,现在他们在哪里,他们要去的地方。的一些谈话反映类似今年早些时候表示,帕特森(参见“五十或六十年的处理器开发…吗?Dennard缩放和摩尔定律已经死了,现在怎么办呢?”——大卫·帕特森博士4-act玩”)但是帕特森已经极大地扩展了现在和未来部分从他之前的谈话。短暂,帕特森的消息是,我们正在进入一个黄金时代的计算机体系结构。

提示:帕特森的ISA版本的未来看起来很像的未来RISC-V ISA和处理器体系结构。一个不小的惊喜。帕特森是RISC-V基金会的副主席,RISC-V架构的帕特森的在近10年前加州大学伯克利分校工作。

但首先,计算机历史的回顾。

在早期的大铁,当主机设计作为计算机行业的焦点,IBM发现它已经进化不是一个,不是两个,但四个成功和互不相容的大型机体系结构服务四个截然不同的市场:

• 的701年(后来7094年晶体管)商业科学的市场服务。
• 的650年(7074年之后)被誉为“现代工业的主力。”
• 的702年(7080年之后),旨在商业计算。
• 的1401年(7010年之后)用于处理大规模的会计。

现阶段计算机进化,很久以前有行业标准I / O接口,每一个大型计算机系统所需的一组独特的外设(打印机、磁带驱动器、鼓和磁盘驱动器,打卡读者、终端等)具有独特的接口。IBM的结论是,支持性的四个独特的账户,在大型计算机四行,四条线的外围设备,为每个ISA和需要不同的操作系统和软件是一个不可持续的商业模式。

所以IBM赌在一个统一的ISA的公司所有的市场。它需要一个ISA从低端到高端的机器。它使用一个架构创新称为微程序设计早在1951年就由莫里斯·威尔克斯。(威尔克斯收到了ACM图灵奖的点在1999年为他的工作)。

微程序设计之间插入一个解释器ISA的机器指令和硬件。事实上,它将ISA指令分解成一个或多个简单的步骤,然后在一个或多个时钟周期执行。在1960年代早期,先于ICs的大规模使用,逻辑硬件(盖茨和拖鞋)比memory-particularly ROM昂贵得多,也快于RAM。微程序设计基本交易掉内存硬件每个ISA指令分解成序列,可以使用简单的硬件执行。

IBM利用微程序设计通过开发一个ISA-the IBM System / 360 ISA-that然后意识到使用完全不同的硬件架构,以满足成本要求的四个市场由上一代机器。在此之前,没有电脑公司有远见和勇气来创建一个市场ISA。

IBM实现相同的ISA的IBM System / 360机器如下所示:

注意,datapath公司和microprogram-ROM时钟周期为每个这些IBM System / 360模型从8到64位,从750年到200年nsec。更广泛的datapath公司和更快的微程序rom使更快,但更贵,机器。(弗雷德布鲁克斯jr .)管理的IBM System / 360项目,并获得了ACM图灵奖的点在1999年为他的工作)。

IBM打赌赢了和它的系统/ 360系列为主的大型机市场很长一段时间。微程序设计是另一个大赢家感谢IBM 360项目的成功,这帮助奠定了接下来发生的事情。

CISC的崛起

成功引入的半导体存储器集成电路在1970年代,内存芯片控制使更大的商店,进而鼓励更大的账户的发展。这一趋势可能是最好的缩影DEC VAX 11/780小型机,此前5印度微程序存储96位/单词。比较原始的最大数量的成员IBM System / 360系列M65-in上面的表中,你会发现VAX 11/780的微程序商店的两倍大。

VAX ISA包括大量的程序员友好的寻址模式和特色个人机器指令,执行复杂的操作,如插入/删除队列和多项式的评估。这些复杂的指令被认为有更多的程序员友好时,程序员在很大程度上仍然在汇编语言编写程序。

摩尔定律也变形了IC为微处理器芯片上的晶体管数量增长。戈登·摩尔发现,决定英特尔需要效仿IBM,开发一个指令集结束所有微处理器的指令集。

结果432年iAPX ISA成为微处理器行业的大白鲸。体系结构实现了一个面向对象的、32位地址空间保护的时候简单的16位的地址空间,没有内存保护规范。由于设计的复杂性,第一个(只)iAPX 432微处理器实现需要几个芯片,因为一天的IC工艺就不可能适合所有的晶体管到单个集成电路。multi-chip iAPX 432实现了六年开发,它跑得很慢。iAPX 432微处理器是一个优雅的失败,最终产生了英特尔最大的成功。(戈登·摩尔赢得了许多奖项,但不是一个点图灵奖。)

iAPX 432项目陷入麻烦和延迟,英特尔临时下一代处理器需要市场来取代老化的8位微处理器8080人和8085人。在车祸中52周的项目,英特尔的工程师开发了8086 microprocessor-essentially基于有所增强,16位版本的8位8080 ISA。架构师花了整整三周在8086年定义ISA。尽管其急于市场,IBM选择了8086微处理器,8088变体的形式与一个8位总线,IBM个人电脑。IBM预计销售250000台电脑,但是,相反,该公司售出了1亿台。8086年和x86 ISA成为一夜成名。它也成为了一个ISA统治他们所有(所有个人电脑和服务器,反正)几十年了。

RISC的崛起

与此同时,软件开发的重大改变是在1980年代开始。软件工程师们从汇编语言转向hll(高级语言)来获得更好的效率。编译器输出比汇编语言方便定义账户时变得更加重要。

约翰·Cocke曾在IBM的实验性ACS优化编译器在1970年代,发现编译器限制在简单的指令产生代码,跑快3倍比使用更复杂的指令编译后的代码运行在同一台机器上。原因很简单,考虑微码的广泛使用。复杂指令需要更长的微程序执行序列,从而需要更多的微码时钟周期。例如,DEC VAX 11/780小型机平均10钟每条指令。

Cocke领导IBM的801电脑项目从1975年开始。这个项目同时开发了一个优化编译器结合紧密耦合的ISA的硬件实现。结果被认为是第一个RISC机器。(约翰Cocke收到了ACM图灵奖的点在1987年为他的工作)。

几年后,RISC微处理器架构取代许多CISC微处理器体系结构与优化编译器由于优越的成果。英特尔认为威胁其x86 ISA,把500名工程师在项目将x86 CISC体系结构转换为一个RISC体系结构通过创建前端硬件将x86指令转化为简单的操作之前,datapath公司。结果是一个巨大的性能。此后,RISC体系结构来控制处理器的台式机和服务器除了几乎所有其他微处理器应用程序。

还有一个处理器相关的建筑历史的帕特森的新黄金时代。如果RISC是好的,认为计算机架构师,然后用宽平行RISC执行引擎指令字由多个连接RISC指令应该更好,由于添加的并行性。这种想法导致了VLIW结构的发展。VLIW处理器是非常可信赖的,最著名的VLIW结构可能是英特尔安腾处理器系列。不幸的是,良好的VLIW编译器是不可能写出各种原因和安腾沉没。

皇帝的新衣:地区体育会,dsl,开账户

所以,帕特森说,未来不是CISC不是VLIW。RISC。但未来不会像过去。Dennard扩展的行业已经结束;晶体管快没有得到也不会消耗更少的功率随着每一个新的流程节点。该行业也看到摩尔定律的结束。倍增时间从几年到几十年。

同时,代码安全处于一种悲惨的境地。“这是尴尬的安全是多么糟糕,”帕特森说。计算机建筑师们打赌不会有软件bug。这是一个糟糕的选择。它一直是一个糟糕的选择。

微处理器必须更加安全和必须能够处理软件漏洞,帕特森说。最近的幽灵利用对投机指令执行,执行攻击的特性在许多现代微处理器变得普遍。根据帕特森,幽灵利用可以向外界泄漏信息的速度超过10 kbps。更多这样的利用可以预计在未来。

欢迎来到黄金时代?

如果半导体技术提供了一个更广阔的未来由于Dennard缩放的死亡和摩尔定律,如果安全处于一种悲惨的境地,这是如何开始一个新的黄金时代的计算机体系结构?

帕特森的回答是:地区体育会(领域特定架构)。

地区体育会执行特定任务更好,因为他们并不通用。相反,他们解决问题的类提供了更多的机会利用并行性。地区体育会也更有效地使用内存带宽,因为数据类型匹配的问题被解决。例如,您不需要使用浮点数来表示一切。有时,一个小整数提供所需的精度。

由此产生的数据结构的大小允许地区体育会和领域特定的处理器设计直接操作高级数据结构矩阵和张量等。例如,谷歌的TPU(张量处理单元)使用一系列大规模的65536 8位乘法/积累(MAC)单位加速一个特定的应用程序:款(深层神经网络)。

员需要dsl(领域特定语言)以及编译器开发专门解决目标域的独特需求。这些dsl已经存在,包括OpenGL图形,为网络P4, TensorFlow机器学习。

有一个巨大的机会,领域特定应用程序的执行速度,利用领域的独特机会并行性和有针对性的数据结构。帕特森预计这个图表证明有63000 x因素潜在性能改进Python代码使用地区体育会和适当的编译器:

然后帕特森主题转向解决安全问题。他的解决方案是打开账户。“为什么有开源编译器而不是开源的账户吗?”他问道。他回答自己的问题,说开放RISC-V架构是证明可以有一个开源的ISA,可以跨应用程序从简单的替代控制处理器与特定领域的datapath公司地区体育会增强和指令。安全人们喜欢的东西打开,帕特森说,因为陷阱门很难隐藏,如果每个人的寻找他们的开源代码。

帕特森总结道,“这是我的简单的目标RISC-V,统治世界。”

注:完整的幻灯片从帕特森博士的演讲在这里。

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