當摩爾定律（Moore’s Law）、登納德縮放定律（Dennard Scaling）等一系列半導體規律逐漸失效時，設計面向未來的計算機系統需要我們改變舊有的觀念。65年以來，計算機體系結構以驚人的發展速度曆經了四個時代，最終來到了當前第五個時代的開端。這65年裡的巨大進步使得計算機的性能得到了不可思議的提升。單單在過去的40年，微處理器的性能就提高了106之多，整整快了100萬倍。這來源于一系列架構層面的創新。第一，系統架構由8比特、16比特變寬到64比特；第二，指令級并行度提高了一個數量級；第三，多核開始出現，工程師可以在一個芯片上實現多個處理器核，以獲得更高性能。同時，在這 65年中，電路的時鐘頻率也提高了1000餘倍，這得益于底層半導體工藝技術的革新。摩爾定律成功預言了晶體管數量的增長，每18至24個月翻一番；登納德縮放定律表明每個晶體管的功耗會随着晶體管數量的增長而降低，從而實現在算力提升的同時，單次計算的能耗反而可以下降。不幸的是，這兩個重要的規律目前都開始漸漸失效了。

過去65年間計算機經曆的四個時代

回顧計算機系統發展史上的各個時代，最早的時候，每個計算機模型甚至每台計算機都不相同（第一代）。IBM360的出現改變 了這一情況，它開始采用中小規模的集成電路，使我們能夠建造大型機、小型機以及後來的超級計算機（第二代）。但是這些系統的實現成本高昂，導緻它們逐步退出曆史舞台，被微處理器所取代。得益于摩爾定律帶來的晶體管規模增長，微處理器逐漸 具備了更強大的功能能更好地挖掘出指令級并行，性能與效率得以提升。RISC和CISC（複雜指令集計算機，Complex Instruction Set Computers）架構也是在這一時期被提出并得到發展，使微處理器的性能越來越強（第三代）。然而有一天，指令級并行的效果逼近上限，設計師開始關注多核微處理器：在同一芯片上實現多個獨立計算核心以持續提高性能（第四代）。當前，由于登納德縮放定律的結束和摩爾定律的減緩，第四個時代也即将終結。

從20世紀80年代中期至21世紀初，處理器性能以每年52%的速度增長。與之相對的是，在過去的五六年中僅僅取得了每年 3.5%的緩慢增速。摩爾定律的減緩隻能解釋其中一部分原因。如果我們根據戈登·摩爾1975年的預測做出外推，所應達到的晶體管數量與實際情況之間相差了一個數量級。但是，晶體管的總體數量仍然實現了100萬倍的增長。在100萬倍的基礎上僅僅相差一個數量級，其實并不是一個巨大的差距，但這一差距正在慢慢變大。同時，由于晶體管的制造成本也在增加，單個晶體管的平均成本的降低速度正在變緩。因此，這仍然是一個現實存在的挑戰。

單核處理器性能趨勢

另一個更大的挑戰在于登納德縮放定律。登納德縮放讓我們能夠在維持同等能耗的情況下持續提高性能。但自從2007年開始，這一縮放效應開始變緩，出現了幾次階躍。直至2012年，每平方納米的功耗開始快速升高，導緻能耗增大，效率下降。能效是一個非常重要的指标。過去20年，能效對于各個層面應用的重要性與日俱增。不論在移動端和物聯網應用上，還是在大規模的雲計算數據中心中，能效都成為了一個至關重要的因素。例如，在大規模數據中心中，除了計算機系統本身，制冷設施也會消耗能量，使功耗成為了數據中心裡 第二大成本因素。另一方面，由于處理器的散熱目前已經達到了極限，我們現在不得不采用一些在以前看來不可想象的技術：芯片會自動關閉一些功能來避免過熱。即使有更好的封裝技術，散熱能力和電池容量仍會成為能效的瓶頸。為了提高能效，我們需要降低功耗，或者在不增加功耗的條件下提升性能。

半導體工藝、能耗與登納德縮放

事實上，真正終結了之前幾個時代的原因正是 我們達到了能效的極限。2005年左右，單核處理器“榨幹”了指令級并行，達到了其效率上限。指令級并行的終結開啟了第四個時代，在多核處理器上由程序員顯式指定并行機會。當然，即使是在多核處理器上，由于阿姆達爾定律的制約，我們永遠也無法達到完全理想的高并行效率。這對于提升處理器能效是一個非常嚴峻的限制。于是，我們看到多核通用處理器的發展也開始碰壁。設想一個類比的情況，緩存是計算機系統中最為重要的技術之一。然而，如果我們不斷增大緩存的容量，最終我們的性能收益會逐步遞減，但功耗卻會持續不斷地增加。

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