5個方向展望未來15年的計算機架構 美國計算社區聯盟發布報告

應用趨勢、器件技術和系統架構驅動著信息技術的發展。

然而，隨著摩爾定律即將失效，如何確保信息技術未來的持續發展成為一個重大挑戰。

2016年底，美國計算社區聯盟（Computing Community Consortium）發布題為《Arch2030：展望未來15年的計算機架構研究》的報告，分析了未來計算架構研究的機遇。

關鍵結論包括：

1、實現硬體設計的大眾化，填補專業化硬體與應用需求間存在的差距

需要大量計算能力的新興應用不斷出現，像之前那樣僅靠改進少數通用計算平台來滿足新興應用性能需求的方法不再可行。

因此，部分計算密集型應用領域採用了「專業化硬體設計」的新策略，對能效的提升最高可達10000倍。

然而，由於設計和製造專業化硬體的成本過高，專業化設計目前僅在極少數應用領域獲得了成功。

要維持計算機產業的良性創新循環，關鍵是要減少專業化應用系統設計的障礙，使基於專業化的能效提升能惠及所有應用。

因此，要實現硬體設計的「大眾化」，使硬體設計變得像軟體設計一樣靈活、廉價和開放，縮短通用和專業化系統間的差距。

2、讓雲成為架構創新的抽象

雲計算模式為跨層的架構創新提供了強大的抽象，而這此前只有極少數垂直整合的IT部門能實現。

規模化和虛擬化是雲計算的兩大重要優勢。

規模化實現了成本的大幅節約，還讓專業化計算機架構展現出強大的性能，例如，部署大量高度專業化處理器可以極大加速關鍵應用，而雲的規模化讓這一切變得可行。

虛擬化使雲供應商無需與客戶協調就能以更快、更廉價的技術替換處理、存儲、網絡組件，同時還實現了資源的超額認購，即滿足客戶對特定資源的不定時、碎片化需求，實現透明共享，極大地降低了雲供應商提供IT資源的成本。

3、垂直化設計

3D集成為晶片設計的可擴展性開闢了一條新的途徑，使單一系統上能集成更多的電晶體，通過三維布線縮短了互連，並促進了異構製造技術的緊密集成。

因此，3D集成提高了能效和帶寬，並降低了延遲。

然而，3D集成也帶來了可靠性、功率與熱管理方面的新挑戰。

4、物理的重要性與日俱增

摩爾定律的終結要求計算架構發生更根本性的變革，新的器件技術與電路設計技術推動著新架構研發。

主要分為兩條途徑，一是藉助更有效的信息編碼更好地使用現有材料和器件，更接近於模擬。

另一條途徑是使用新材料，實現更有效的切換、更緊湊的排列和獨特的計算模式。

當前比較值得期待的新架構研究方向包括：新的內存器件、碳納米管、量子計算、超導器件、生物計算等。

5、機器學習成為關鍵工作

機器學習改變了應用執行的方式，而硬體進展使基於大數據的機器學習成為可能。

當前的關注點是雲中的機器學習，智慧型手機、超低功耗傳感器節點等低功耗器件中的機器學習應用蘊含了巨大機遇。

許多機器學習內核有著相對規律的結構，可適應硬體專業化、重配置和近似技術，為架構創新創造了重要機遇。

計算社區聯盟是2006年根據美國國家科學基金會（NSF）和計算研究協會（CRA）的合作協議成立的，其目標是推動計算研究界探討更廣泛、更大膽的研究願景，並向決策者、政府、產業界、學術界和公眾傳達這些願景的重要性，以解決國家和全球面臨的緊迫挑戰。

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Arch2030: A Vision of Computer Architecture Research over the Next 15 Years.

文章來源：國家高端智庫中國科學院《科技前沿快報》，2017年，第2期。

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