计算机体系未来50年的发展

计算机体系未来50年的发展

计算机体系未来50年的发展及发展程度

计算机体系结构就是指适当地组织在一起的一系列系统元素的集合，这些系统元素互相配合、相互协作，通过对信息的处理而完成预先定义的目标。通常包含的系统元素有：计算机软件、计算机硬件、人员、数据库、文档和过程。

从体系结构来看，计算机体系结构研究的主要是计算机软硬件界面，具体表现在，指令系统。[1]现代计算机的两种主要体系结构是CISC(Complex Instruction Set Computer，复杂指令系统计算机)体系和RISC(Reduced Instruction Set Computer，精简指令系统计算机)体系。[2]在过去的二十年中，RISC技术由自己超标量、流水线、指令集并行等优点，不断发展，逐渐取代CISC成为工作站和服务器的主流技术。[3]如：IBM将大量早期的RISC微处理器通过蝶形互联网络连接起来，斯坦福大学提出DASH计划等。[4]

但在现在的计算机体系研究中，愈来愈多的问题被发现。如冯·诺依曼的伟大发明中核心只有3个：二进制、存储模型和一个时候只有一个操作的串行机制。这在长久以来推动了计算机体系的发展和革新，但也就是这3个核心，阻碍了计算机的进一步发展。

在内核结构上说，CISC结构的计算机数据线和指令线是分时复用的，即所谓的冯.诺依曼（Von Neumann）结构，也称普里斯顿结构，是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起统一编址的存储器结构。而采用RISC结构的单片机数据线和指令线分离，即所谓的哈佛（Harward）结构。处理器取指令和取数据可同时进行。

而从指令集上说，CISC处理的是不等长指令集，它必须对不等长指令进行分割，因此在执行单一指令的时候需要进行较多的处理工作。而RISC执行的是等长精简指令集，CPU在执行指令的时候速度较快且性能稳定。RISC可同时执行多条指令，它可将一条指令分割成若干个进程或线程，交由多个处理器同时执行，因此在并行处理方面RISC明显优于CISC。

由此可见，RISC经过近20年的发展，必将继续成为未来50年的主流。在RISC的发展中，有以下几个关键技术需要进一步研究：

1，延时转移技术，在RISC处理机中，指令一般采用流水线工作。取指令和指令执行并行执行；

2，采用指令延时技术时，指令序列的调整最好在编译器中自动进行；

3，指令取消技术，由于采用指令延时技术，遇到条件转移指令时，调整指令序列非常困难，在许多情况下找不到可以用来调整的指令；

4，重叠寄存器窗口技术，CISC中的一条复杂指令在RISC中需要用一段子程序来实现，因此，执行指令时，访问存储器时的信息量非常大；[5]

除了RISC体系之外，还有一种VLIW体系，指是一种指令集设计思想与技术，他利用编译器把若干个简单的、无相互依赖的操作压缩到同一个很长的指令字里，当被从Cache或主存取进处理器时，可以容易的分割出各个操作，并一次性分派到多个独立的执行单元中并行执行。[6]从理论上来说，它同超标量技术是等价的，但能开发更大的并行性，并且简化硬件设计，[7]且处理器只需简单执行编译程序所产生的记录，因而大大简化了运行时资源的调度。

其实除了单独发展体系外，更多的人开始研究将RISC和CISC相结合，从而产生了EPIC（精确指令并行计算机）体系。EPIC体系即CISC像RISC迈出的重要一步，从而，我们可以得知，未来的计算机体系，极有可能诞生出类似EPIC，从而让人们使用既包含RISC，又包含CISC优点的计算机体系。[8]

即使是这样，提高单个处理器的运算能力和处理能力正在变得越来越难，显然，提高单