專家談電腦體系架構研究獲圖靈獎
近日，有著“電腦界的諾貝爾獎”之稱的“圖靈獎”揭開面紗。國際電腦協會宣佈，美國科學家約翰·軒尼詩和大衛·派特森獲得2017年度圖靈獎，以表彰二人開創了一種系統的、可量化的方法用以設計和評價電腦體系架構，並對精簡指令集（RISC）微處理器行業產生深遠影響。
在國際電腦協會（ACM）官網公佈的資訊中，微軟公司創始人比爾·蓋茨評價軒尼詩和派特森的貢獻為“已被證明為整個行業蓬勃發展的基石”。
將靈感設計變成可重複科學
說到此次獲獎的RISC系統是什麼，中科院計算技術研究所研究員、中科院“龍芯”CPU首席科學家胡偉武用工廠生產線向記者作了比喻。
“比如工廠生產線生產的產品大小、規格都一樣，效率就會很高。如果每個產品大小、規格都不同，則效率很低。”胡偉武說，RISC系統表面現象就是指令變得簡單通用，而內在邏輯則是系統實現起來比較高效，這是它的核心所在。
事實上，在電腦技術發展的歷程中，人類一直在孜孜不倦地追求對其性能的提升，並獲得了一定的突破。
中科院計算所電腦體系結構國家重點實驗室研究員、中科院計算所先進電腦系統研究中心常務副主任包雲崗告訴《中國科學報》記者，這其中一方面是工藝層面的貢獻，也就是將電晶體做得越來越小，以便在同一晶片上安放更多的電晶體；另一方面在於如何充分利用電晶體，而這就需要體系結構來設計。
“有研究顯示，在過去20餘年，體系結構處理器性能提升了大約1萬倍，這其中體系結構和工藝方面的貢獻各自占100倍左右。”包雲崗說。“體系結構使得處理器的性能變得很高效，程式的執行時間從幾天變成幾分鐘。”
此次兩位元科學家獲獎更讓硬體研究者看到了希望。“在當下各類應用都比較多，人工智慧、區塊鏈、大資料也都比較熱的情況下，‘圖靈獎’卻頒給了電腦領域內做底層硬體的兩位元大師，這對我們做硬體的研究人員是一個極大的認可和鼓舞。”中科院計算所研究員韓銀和說。
顛覆設計理念
“如今，每年生產的超過160億枚微處理器中，99%都使用了RISC處理器，幾乎所有智慧手機、平板電腦和嵌入式設備都會用到。”國際電腦協會網站有關軒尼詩和派特森研究成果的介紹中，如此評價二者研究對產業的影響。
“整個晶片產業每年有幾千億美元的產值，他們確實對資訊技術做出了巨大的貢獻。”包雲崗稱。不過，專家分析稱，兩位科學家此次獲獎還與其開創的新處理器設計方法對處理器設計帶來的顛覆性影響密切相關。
包雲崗將此前處理器設計比作藝術設計。“設計出來，好就是好，不好就是不好，高手可以設計出佳作，而普通人卻只能望洋興嘆。”然而，軒尼詩和派特森卻把處理器設計“為什麼好”“怎麼才能好”變成了一門可重複的科學。
二人不僅將處理器設計的透徹分析撰寫成《電腦體系結構：量化研究方法》一書，並且自己通過研製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，幾乎所有處理器設計者和系統軟體設計者人手一本，相當於改變了人們傳統設計處理器的思想和觀念。”包雲崗說。
近年來，我國在體系結構研究上發展迅速，但國內對體系結構的研究特別是核心晶片和系統設計放，卻存在“跟隨美國的思維方式太重”的問題。
“在這個人工智慧新時代背景下，中國企業需要用自己的發展思維，不斷縮小差距並趕超乃至領先。” 中科院計算所研究員、中科睿芯董事長范東睿說。
對此胡偉武表現的更有信心。他表示，國內指令體系技術已實現，比如龍芯CPU已實現了多指令發射和可程式“超車”功能，“只是火候上還差一點”。在他看來，再經過兩三年的時間，我國自主研發的CPU性能將與國外主流CPU相當。
未來前景可期
在各國積極構建物聯網和發展人工智慧的當下，兩位科學家成果的影響還有望在新技術的推動中進一步得到延展。
“體系結構是整個電腦複雜系統搭建的重要基石，在當前最火熱的人工智慧等熱點技術中都體現著最核心的價值。”範東睿表示。
物聯網、人工智慧等技術的發展，其本質上是處理能力和效率的提升。在範東睿看來，物聯網和人工智慧等應用本身所體現出的高通量特性逐漸突出並成為瓶頸，高通量計算技術則成為了突破這一瓶頸的核心。
“晶片和系統能夠在限定功耗、限定時間的條件下算的更多更快，是物聯網、人工智慧不斷發展的核心因素，這不但依靠工藝的進步，更得益於體系結構技術的不斷突破。”他說。
事實上，物聯網比較重視處理器能耗，如果能夠設計一種很高性能功耗比的處理器，對於物聯網具有很大吸引力。包雲崗指出，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，並在兩者之間尋得平衡。
此外，採訪中專家也表示，此次“圖靈獎”有可能為未來埋下了伏筆。包雲崗介紹稱，此次獲獎的派特森對電腦產業還有兩大貢獻。“比如存儲技術——磁片冗餘技術RAID，這項技術也開闢了一個新產業，今天的存儲市場有500億美元的產值，他在其中扮演了重要的角色。”他說。
專家預測，未來獲獎者或許並非軒尼詩和派特森本人，但極有可能他們的合作者會因為其技術研發摘得“圖靈獎”。