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

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

1965年,作為 Intel 創始人之一的 Gordon Moore 做出了預言:價格不變時,半導體晶片中可容納的元件數目約每兩年會翻一倍,其性能也會同比提升。經過後來多年資料論證,這個時間週期實際在18個月上下。

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。

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

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。

36氪專訪 | 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

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。

36氪專訪 | 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

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。

 

  • 本文授權轉載自:36kr

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