计算机体系架构获“图灵奖”

日前，有着“计算机界的诺贝尔奖”之称的“图灵奖”揭开面纱。国际计算机协会宣布，美国科学家约翰·轩尼诗和大卫·帕特森获得2017年度图灵奖，以表彰二人开创了一种系统的、可量化的方法用以设计和评价计算机体系架构，并对精简指令集（RISC）微处理器行业产生深远影响。

在国际计算机协会（ACM）官网公布的信息中，微软公司创始人比尔·盖茨评价轩尼诗和帕特森的贡献为“已被证明为整个行业蓬勃发展的基石”。

将灵感设计变成可重复科学

说到此次获奖的RISC系统是什么，中科院计算技术研究所研究员、中科院“龙芯”CPU首席科学家胡伟武用工厂生产线向记者作了比喻。

“比如工厂生产线生产的产品大小、规格都一样，效率就会很高。如果每个产品大小、规格都不同，则效率很低。”胡伟武说，RISC系统表面现象就是指令变得简单通用，而内在逻辑则是系统实现起来比较高效，这是它的核心所在。

事实上，在计算机技术发展的历程中，人类一直在孜孜不倦地追求对其性能的提升，并获得了一定的突破。

中科院计算所计算机体系结构国家重点实验室研究员、中科院计算所先进计算机系统研究中心常务副主任包云岗告诉《中国科学报》记者，这其中一方面是工艺层面的贡献，也就是将晶体管做得越来越小，以便在同一芯片上安放更多的晶体管；另一方面在于如何充分利用晶体管，而这就需要体系结构来设计。

“有研究显示，在过去20余年，体系结构处理器性能提升了大约1万倍，这其中体系结构和工艺方面的贡献各自占100倍左右。”包云岗说。“体系结构使得处理器的性能变得很高效，程序的执行时间从几天变成几分钟。”

此次两位科学家获奖更让硬件研究者看到了希望。“在当下各类应用都比较多，人工智能、区块链、大数据也都比较热的情况下，‘图灵奖’却颁给了计算机领域内做底层硬件的两位大师，这对我们做硬件的研究人员是一个极大的认可和鼓舞。”中科院计算所研究员韩银和说。

颠覆设计理念

“如今，每年生产的超过160亿枚微处理器中，99%都使用了RISC处理器，几乎所有智能手机、平板电脑和嵌入式设备都会用到。”国际计算机协会网站有关轩尼诗和帕特森研究成果的介绍中，如此评价二者研究对产业的影响。

“整个芯片产业每年有几千亿美元的产值，他们确实对信息技术做出了巨大的贡献。”包云岗称。不过，专家分析称，两位科学家此次获奖还与其开创的新处理器设计方法对处理器设计带来的颠覆性影响密切相关。

包云岗将此前处理器设计比作艺术设计。“设计出来，好就是好，不好就是不好，高手可以设计出佳作，而普通人却只能望洋兴叹。”然而，轩尼诗和帕特森却把处理器设计“为什么好”“怎么才能好”变成了一门可重复的科学。

二人不仅将处理器设计的透彻分析撰写成《计算机体系结构：量化研究方法》一书，并且自己通过研制RISC处理器亲自对书中的思想进行了验证。

“这本书在全世界销售了近百万本，几乎所有处理器设计者和系统软件设计者人手一本，相当于改变了人们传统设计处理器的思想和观念。”包云岗说。

近年来，我国在体系结构研究上发展迅速，但国内对体系结构的研究特别是核心芯片和系统设计放，却存在“跟随美国的思维方式太重”的问题。

“在这个人工智能新时代背景下，中国企业需要用自己的发展思维，不断缩小差距并赶超乃至领先。” 中科院计算所研究员、中科睿芯董事长范东睿说。

对此胡伟武表现的更有信心。他表示，国内指令体系技术已实现，比如龙芯CPU已实现了多指令发射和可程序“超车”功能，“只是火候上还差一点”。在他看来，再经过两三年的时间，我国自主研发的CPU性能将与国外主流CPU相当。

未来前景可期

在各国积极构建物联网和发展人工智能的当下，两位科学家成果的影响还有望在新技术的推动中进一步得到延展。

“体系结构是整个计算机复杂系统搭建的重要基石，在当前最火热的人工智能等热点技术中都体现着最核心的价值。”范东睿表示。

物联网、人工智能等技术的发展，其本质上是处理能力和效率的提升。在范东睿看来，物联网和人工智能等应用本身所体现出的高通量特性逐渐突出并成为瓶颈，高通量计算技术则成为了突破这一瓶颈的核心。

“芯片和系统能够在限定功耗、限定时间的条件下算的更多更快，是物联网、人工智能不断发展的核心因素，这不但依靠工艺的进步，更得益于体系结构技术的不断突破。”他说。

事实上，物联网比较重视处理器能耗，如果能够设计一种很高性能功耗比的处理器，对于物联网具有很大吸引力。包云岗指出，二人的方法不仅可以用来指导高性能处理器，也可以指导低功耗处理器，并在两者之间寻得平衡。

此外，采访中专家也表示，此次“图灵奖”有可能为未来埋下了伏笔。包云岗介绍称，此次获奖的帕特森对计算机产业还有两大贡献。“比如存储技术——磁盘冗余技术RAID，这项技术也开辟了一个新产业，今天的存储市场有500亿美元的产值，他在其中扮演了重要的角色。”他说。

专家预测，未来获奖者或许并非轩尼诗和帕特森本人，但极有可能他们的合作者会因为其技术研发摘得“图灵奖”。