网站源码交易网,青岛做视频的网站,手机网站引导页js插件,企业网站的网络营销来源#xff1a; 计算所控制计算实验室6月4日#xff0c;在今年的国际计算机体系结构大会ISCA2018的图灵奖演讲会上#xff0c;ACM/IEEE邀请了2017年图灵奖获得者John Hennessy与David Patterson联合进行了一场关于未来计算机体系结构发展道路探索的精彩演讲。二位图灵奖得主… 来源 计算所控制计算实验室 6月4日在今年的国际计算机体系结构大会ISCA2018的图灵奖演讲会上ACM/IEEE邀请了2017年图灵奖获得者John Hennessy与David Patterson联合进行了一场关于未来计算机体系结构发展道路探索的精彩演讲。二位图灵奖得主介绍了在Dennard缩放定律与摩尔定律逐渐终结过程中计算机安全需求、领域专用语言、开源硬件、硬件敏捷开发等诸多新技术展望了体系结构迎来了新黄金时代。 国际计算机体系结构大会ISCA是计算机体系结构领域的顶级会议也是计算机领域有名的难会之一。在2008年该会第一次在北京召开之前我国在该会议上发表过不到5篇论文。该会也是我们控制计算实验室瞄准的主要会议之一2000年在会议上取得突破后续在该会议上连续发表过2篇论文并在体系结构另一个顶级会议HPCA上发表过多篇论文。 本次图灵奖演讲会上两位图灵奖得主首先回顾了微处理器与指令集架构ISA的发展历程并由此分析目前体系结构的挑战并以此探讨该领域未来新机遇。 图文编辑 | 薛兴华一、计算架构的历程从大型机小型机到微处理器RISC与CISC、VLIW的角力。 20世纪60年代早期IBM的4种系列机型每种都有独立的指令集架构、I/O二级存储系统、组装、编译器等尽管这些机型在商业、科学、实时领域的市场均不错但却遇到了严重的机型不兼容问题这意味着公司需针对各系列的机型均投入相当大的成本。因此IBM决定统一所有机型的指令集。 之前英国科学家Maurice Wilkes1967年图灵奖获得者第一台实际运行的存储程序计算机EDSAC的提出者提出微程序的概念和设计控制单元解决了计算的控制难题。从1964年起IBM延续该设计思路随后其设计的微控制单元在多方面性能均有提升直到现在微控制理念在主流处理器中仍一直沿用公司在Fred Brooks1999年图灵奖获得者等人的努力下也因此获得了更好的发展领导了计算机行业多年。 由于逻辑运算、RAM与ROM均以晶体管实现半导体RAM与ROM具有类似的速度摩尔定律以及RAM对微程序的重写能力促使了复杂指令集CISC的诞生。同时微程序设计在学术界非常流行最著名的可写控制存储计算机是1973年由Chuck Thacker2009年图灵奖获得者领导设计的Xerox AltoXerox Alto是第一台现代个人计算机首次使用了图形用户界面以及具有以太网功能其像素转换与以太网控制器采用了微编码技术。 由于半导体技术推动微程序设计在70年代发展迅速期间出现了经典的Intel i432、8086以及8088处理器。8086采用16比特架构可兼容8bit处理器8080。在8080后Intel还研发过i432处理器当时1975被认为是最具雄心的微处理器它抛弃了继承x86的技术路线基于32位功能面向对象架构拥有以Ada编写的自定义操作系统然而该处理器存在一些性能、复杂性以及可用性上的问题商业上失败告终。IBM在1981在其个人计算机PC采用了Intel 8088处理器尽管该PC出色的销量导致了Intel 8086 “一夜成名”但PC软件的兼容性也使得8086系列看清了未来发展方向。 直到20世纪80年代计算机行业逐渐从组成转向高级语言编程发展编译器越来越重要。John Cocke与其在IBM的团队致力于流水线处理器开发通过引入IBM内部的高级编译器利用简单的寄存器对寄存器控制与读写命令其运行速度相比已存的编译器快3倍。DEC公司的研究人员发现在VAX11/180中其指令平均执行时间CPI较长微程序的60%由20%指令组成但其执行时间约只占0.2%同时复杂指令集扩展也导致了微程序出现诸多漏洞。这些问题引发了Patterson对新指令集的思考并创建了新的精简指令集RISC。 基于RISC的架构利用SRAM作为用户可见指令缓存利用简单的ISA可实现硬件流水线具备更好的芯片可集成度其寄存器分配方案有利于存取ISAs因此在伯克利分校与斯坦福大学努力下诞生了一系列基于RISC架构的处理器。 早在1991年研究者证明尽管CISC在运行中执行较少的指令但其指令的平均执行周期较长而RISC则在相同的硬件配置下比CISC的执行速度快4倍。在随后的PC 时代许多硬件将x86指令转换为内部RISC指令在MPU内使用RISC技术这一策略使得x86指令集继续主导了服务器与PC领域然而后PC时代直到现在已超过99%的处理器均使用RISC其中大部分要归功于ARM。 Intel自1994年起与惠普联合开发了一种针对Intel IA-64架构的纯64位微处理器Itanium /Itanium 2其指令集是EPIC二进制对象代码兼容的VLIW指令集具有明确的并行指令计算当时被认为是一个趋势很多企业包括Microsoft, SGI, Hitachi, Bull, …也尝试放弃RISC而转向Itanium。 然而“EPIC Failure”由于编译器难以处理代码中的复杂依赖关系指针代码尺寸爆炸问题以及不可预知的分支与缓存未命中尽管采用了乱序技术缓解了缓存延迟但EPIC仍然失败了。专家们也指出Itanium产品的延迟和表现不佳因此被芯片行业称为“Itanic”如同Titanic。 “The Itanium approach … was supposed to be so terrific, until it turned out that the wished-for compilers were basically impossi- ble to write.”——Donald Knuth, Stanford 总结历史我们发现CISC与VLIW分别在30和15年内未出现过新的通用ISA。尽管VLIWs在嵌入式DSP市场比较出色但其在通用架构的竞技场中已败下阵来。如今在ISAs上我们达成了共识RISC最终被大家认可是最普适的指令集二、当前架构的挑战Dennard缩放定律与摩尔定律的终结、硬件增强安全 能耗成为架构设计的关键约束条件。Dennard缩放定律表示晶体管面积的缩小使得其所消耗的电压以及电流会以差不多相同的比例缩小。但在晶体管越来越小时量子隧穿效应开始介入晶体管开始出现漏电现象使得晶体管在更小的工艺时静态功耗反而增大这导致了Dennard缩放定律终结。 晶体管尺寸缩小速度放缓摩尔定律即将迎来终结。摩尔定律表示在成本不变的情况下集成电路上可容纳的晶体管数目按照一定时间呈指数级增长。不过后来随着硅工艺发展趋于其物理瓶颈摩尔定律开始滞缓从1965年的一年翻一倍1975年改为2年翻一倍1997年又改为18个月翻一倍最终摩尔本人在2003年指出摩尔定律还能坚持十年。 此外提升芯片频率等措施将进一步加大芯片的散热问题同时指令级并行方面也出现了较大的局限性和低效性单核性能已难以进一步扩展。因此学者们转向多核架构的研究开始了多核时代。然而随着芯片集成度增大为了在现有的散热技术上保证芯片不至于过热或功耗过大多核芯片中有一部分和其余部分不能同时使用出现了暗硅现象不能同时使用的部分Amdahl定律使得设计高性能的多核架构越来越难。 随着时间推移单核速度性能提升的比例由上世纪80年代的每年22%降低至现在的3%处理器性能提升速度逐年放缓甚至接近停滞。而DRAM容量扩充速度也由上世纪70年代开始的平均每年1.5倍降低至现在的1.1倍针对DRAM的摩尔定律也开始逐渐失效。 当前技术似乎已经达到了其极限而能耗却增长迅速能耗已作为最主要的芯片设计限制条件体现了现有技术对晶体管的利用低效。所以如何提高现有技术对晶体管的利用率将是一条重要的思路。 安全问题一直为人们关注过去人们想到很多方法维持系统安全但多数不好用或开销过大而逐渐被淘汰。早期人们发现提出了硬件抵抗攻击的方案但其验证难度较大且还面临着内核与微内核规模爆炸问题这些方案逐渐被人们放弃。当前几乎所有的软件都必须构建安全系统但仍存在软件缺陷所以硬件必须对安全领域有所作为。 因此由安全问题也带了对指令集架构ISA的新定义 “What the machine language programmer must know to properly write a correct but timing-independent program.” 怎样才能使机器语言程序员写出正确的且没有时间依赖性的程序现在的体系结构面临着大量的“幽灵”猜测时序攻击大于10kb/s将来也会有更多的微架构式攻击我们是通过资源隔离还是关闭多线程以保证安全这需要新的体系架构具备防止时序泄露的能力。 所以由于当前摩尔定律减缓Dennard定律也被终结微体系结构指令层并行多核等技术的低能效计算机安全状态也让人尴尬而又似乎不太可能用纯软件方法保证其安全这些挑战将推动体系结构如何发展三、体系结构新机遇专用软硬件协同设计、架构开源、敏捷硬件开发。 当摩尔定律放缓时我们将如何加快处理速度 以软件为中心的方法尽管在编程方面比较方便但在执行上非常低效而以硬件为中心的方法只剩下了专用架构尽管只能完成少量的任务但执行非常高效因此专用软硬件协同设计将成为不二之选。假定以Python执行矩阵乘法运行速度为1通过专用硬件的加速比可达到62806可见专用加速架构存在巨大的机遇。 专用架构的设计将硬件架构进行定制并使其具备特定领域应用特征使该领域的一系列应用任务都能高效执行。相比通用架构专用架构的设计需要设计者对专用领域知识更加了解。当前比较流行的专用架构包括机器学习领域的神经网络处理器图形图像、虚拟现实领域的图像处理器GPUs可编程网络交换机及接口等。 专用架构采用单指令多数据流SIMD、用户控制与缓存技术使其在并行性以及带宽利用率上相比通用架构更加高效通过结合专用领域的编程语言可在应用任务上获得高水平的加速效果。此外专用架构可利用低精度的浮点或定点数运算如将32bit或64bit的数据转化为8bit或16bit定点数据可在精度允许范围内大幅降低硬件运算开销。 领域专用语言如OpenGLTensorFlow等可对专用架构所需的常用操作进行总结如矩阵、向量或稀疏向量的操作。然而如果领域专用语言DSL程序与专用架构保持独立性将导致编译上的困难。因此针对通用应用任务可以利用高级语言及其编译器实现在通用架构如RISC执行而针对领域专用应用任务则实现领域专用软硬件协同设计并以高级编译技术进行优化与匹配。 有趣的是由于机器学习的火热该领域发表论文的数量也呈摩尔定律上升 在机器学习领域比较有代表性的专用架构中Google设计的张量处理器TPU v1耗时36个月数十亿可用于神经网络运算、神经机器翻译、AlphaGo匹配等诸多任务该专用处理器架构内部含有可完成65536256x2568bit规模乘累加单元的矩阵运算模块4MB片上累加存储以及24MB单独缓存其片上存储相比GPU多3.5倍此外还包含了两个2GMHz左右的DDR3 DRAM通道8GB片外DRAM存储700M时钟频率峰值操作可达到92T/s其运算速率相比GPU快25倍以上比CPU快100以上。 我们需要明白所研制的芯片的应用是什么标准是什么一套合理的测试基准Benchmark用以评估机器学习不同架构的芯片性能同时能给机器学习芯片领域研究人员带来激励。不管是机器学习或其他领域成套Benchmark的构建不可或缺。 机会有很多但体系结构设计也需要新方法我们需要重新垂直组建计算机架构团队他们需要掌握包括应用、DLSs以及相关编译技术、体系结构原理、技术实现等。John总结到“Everything old is new again”过去旧的技术重新变成新的了 David Patterson操作系统及其编译器均可开放为什么架构就不能呢David回顾了RISC-V架构的设计历程并讲述了由于RISC-V及其扩展版本的简洁、模块化、开放性、可扩展等诸多特点为专用架构的灵活设计与开发提供了条件有望成为开源硬件基础。 而在深度学习加速器领域英伟达开放了其神经网络加速架构NVDLA其配套工具及说明均可在GitHub上获得具有可拓展及灵活性等优点而该加速架构所使用的主处理器则可采用RISC-V核。由于FPGAs的可塑性、RISC-V以及其软件的开放开发者可在线快速开发与验证。 架构免费开源将使任何人都可以低门槛接触并参与开发并可自由扩展以支持专用架构更多的人或团队参与开源的处理器设计将加速领域创新形成更有竞争力的市场。 “就像Linux对处理器的开放程度那样希望将来能创建对所有计算装置都开放的工业级ISAs。” 硬件敏捷设计只需要很小的团队花较短的时间即可实现原型迭代。在敏捷硬件设计过程中设计者可通过软件以高级语言对开发者的创新架构进行描述与仿真然而所设计的模型在软件中并不能运行数十亿或更多的周期开发者需借助FPGA工具进行验证云FPGA的开放使开发者无需购买验证硬件即可实现FPGA验证。经过前述步骤的迭代过程即可准备流片由于摩尔定律迟缓当前的流片成本也逐渐降低减轻了团队流片的成本压力。这种敏捷开发在伯克利试验过一个团队在短短5年时间里即可制造10次芯片使团队积累了丰富的芯片设计经验。 随着Dennard缩放定律与摩尔定律的终结体系结构开始着重于提高性能降低成本及功耗计算机安全机制亟待革新领域专用语言DSL催生了专用架构的产生免费/开放的架构资源与开发套件以及云FPGAs的开放使任何人都可定制硬件硬件敏捷开发等诸多条件促成了体系结构的新黄金时代未来智能实验室是人工智能学家与科学院相关机构联合成立的人工智能互联网和脑科学交叉研究机构。未来智能实验室的主要工作包括建立AI智能系统智商评测体系开展世界人工智能智商评测开展互联网城市云脑研究计划构建互联网城市云脑技术和企业图谱为提升企业行业与城市的智能水平服务。 如果您对实验室的研究感兴趣欢迎加入未来智能实验室线上平台。扫描以下二维码或点击本文左下角“阅读原文”
