計算機架構設計的8關(guān)鍵點(diǎn)

“These are eight great ideas that computer architects have invented in the last 60 years of computer design. They are so powerful they have lasted long after the first computer that used them, with newer architects demonstrating their admiration by imitating their predecessors.” --大衛 A.帕特森博士

大衛 A.帕特森博士 ，自 1977 年加入該學(xué)院以來(lái)， David A. Patterson博士一直在加州大學(xué)伯克利分校教授計算機體系結構，并擔任 Pardee 計算機科學(xué)主席。他的教學(xué)曾獲得加州大學(xué)杰出教學(xué)獎、ACM 卡爾斯特倫獎、IEEE穆里根教育獎?wù)潞捅究平虒W(xué)獎，世界上最大的技術(shù)進(jìn)步專(zhuān)業(yè)協(xié)會(huì )。Patterson 博士因對 RISC 的貢獻而獲得 IEEE 技術(shù)成就獎和 ACM Eckert-Mauchly 獎，并因對 RAID 的貢獻而分享了 IEEE 約翰遜信息存儲獎。他還與合著(zhù)者 John Hennessy 博士分享了 IEEE 約翰·馮·諾依曼獎?wù)潞?C&C 獎。

1、面向摩爾定律設計

計算機設計師的一個(gè)常數是快速變化，這在很大程度上是由摩爾定律驅動(dòng)的。它指出，集成電路資源每 18-24 個(gè)月翻一番。摩爾定律源于 1965 年英特爾創(chuàng )始人之一戈登·摩爾 (Gordon Moore) 對 IC 容量增長(cháng)的預測。由于計算機設計可能需要數年時(shí)間，因此在項目開(kāi)始和結束之間，每個(gè)芯片的可用資源很容易翻倍或四倍。就像飛碟射手一樣，計算機架構師必須預測設計完成時(shí)技術(shù)的位置，而不是設計開(kāi)始的位置。我們使用“向上和向右”摩爾定律圖來(lái)表示快速變化的設計。

半導體行業(yè)大致按照摩爾定律發(fā)展了半個(gè)多世紀，對二十世紀后半葉的世界經(jīng)濟增長(cháng)做出了貢獻，并驅動(dòng)了一系列科技創(chuàng )新、社會(huì )改革、生產(chǎn)效率的提高和經(jīng)濟增長(cháng)。個(gè)人電腦、因特網(wǎng)、智能手機等技術(shù)改善和創(chuàng )新都離不開(kāi)摩爾定律的延續。如今單個(gè)處理器已經(jīng)很難適應摩爾定律了（主要包括隨著(zhù)更多晶體管被裝入芯片當中，相應會(huì )出現電子能量外泄和熱量散發(fā)的現象），但云計算興起，算力網(wǎng)絡(luò )起飛，在某種程度延續了摩爾定律。

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2、使用抽象簡(jiǎn)化設計

計算機架構師和程序員都必須發(fā)明技術(shù)來(lái)提高自己的生產(chǎn)力，否則設計時(shí)間會(huì )隨著(zhù)摩爾定律的資源增長(cháng)而顯著(zhù)延長(cháng)。硬件和軟件的主要生產(chǎn)力技術(shù)是使用抽象來(lái)表示不同表示級別的設計。隱藏較低級別的細節以在較高級別提供更簡(jiǎn)單的模型。我們將使用抽象繪畫(huà)圖標來(lái)代表第二個(gè)偉大的想法。

抽象思維一直推動(dòng)著(zhù)計算機技術(shù)不斷向前發(fā)展，科學(xué)技術(shù)本身就是現實(shí)世界的抽象和演繹：電路信號->01二進(jìn)制->指令匯編->高級編程->模塊設計->框架設計->單機系統->分布式系統-->云計算，計算機領(lǐng)域有句名言：“計算機科學(xué)領(lǐng)域的任何問(wèn)題都可以通過(guò)增加一個(gè)間接的中間層來(lái)解決”。

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3、快速做普通案例

使常見(jiàn)情況變得更快往往會(huì )比優(yōu)化罕見(jiàn)情況更有效地提高性能。具有諷刺意味的是，常見(jiàn)情況通常比罕見(jiàn)情況更簡(jiǎn)單，因此通常更容易增強。這種常識性建議意味著(zhù)您知道常見(jiàn)情況是什么，這只有通過(guò)仔細的實(shí)驗和測量才能實(shí)現。我們使用跑車(chē)作為快速制作普通案例的圖標，因為最常見(jiàn)的旅行只有一兩個(gè)乘客，而且制作快速轎車(chē)肯定比快速小型貨車(chē)更容易。

計算機大多數時(shí)間都是運作在常見(jiàn)情況下，符合2/8定律，所以首先我們針對常見(jiàn)情況進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，加速大概率事件，效果更快。

4、通過(guò)并行提高性能

自從計算出現以來(lái)，計算機架構師就提供了通過(guò)并行執行操作來(lái)獲得更高性能的設計。我們將在本書(shū)中看到許多并行性的例子。我們使用飛機的多個(gè)噴氣發(fā)動(dòng)機作為并行性能的標志。

并行設計思想一直是提升性能的核心思想，多進(jìn)程，多線(xiàn)程，多核-SMP，SIMD，NUMA，MIPS，向量機，GPU等等。

5、通過(guò)流水線(xiàn)提高性能

一種特殊的并行模式在計算機體系結構中如此普遍，以至于它有自己的名字：流水線(xiàn)。例如，在消防車(chē)出現之前，“水桶大隊”會(huì )對火災做出反應，許多牛仔電影都會(huì )以這種方式來(lái)應對惡棍的卑鄙行為。城鎮居民形成一條人鏈來(lái)攜帶水源生火，因為他們可以更快地將水桶向上移動(dòng)，而不是個(gè)人來(lái)回奔跑。我們的管道圖標是一系列管道，每個(gè)部分代表管道的一個(gè)階段。

不管硬件設計還是軟件設計，流水線(xiàn)設計（pipeline）都是計算機領(lǐng)域最重要設計思想之一，這種思想是一種用面積換速度的思想，用更多的資源來(lái)實(shí)現高速。

6、通過(guò)預測提高性能

遵循“請求寬恕比請求許可更好”的說(shuō)法，下一個(gè)好主意是預測。在某些情況下，假設從錯誤預測中恢復的機制不是太昂貴并且您的預測相對準確，那么平均而言，猜測并開(kāi)始工作可能比等到您確定知道時(shí)更快。我們使用算命先生的水晶球作為我們的預測圖標。

現在流行大數據+AI算法預測和CPU的分支預測技術(shù)在思想上是不是有異曲同工之妙。

7、存儲的層次設計

程序員希望內存快速、大且便宜，因為內存速度通常會(huì )影響性能，容量限制了可以解決的問(wèn)題的大小，而今天的內存成本通常是計算機成本的大部分。架構師發(fā)現他們可以通過(guò)內存層次結構來(lái)解決這些相互沖突的需求，在層次結構的頂部，每比特最快、最小和最昂貴的內存，而在底部每比特最慢、最大和最便宜的內存。高速緩存給程序員一種錯覺(jué)，即主存儲器幾乎與層次結構的頂部一樣快，并且幾乎與層次結構的底部一樣大且便宜。我們使用分層的三角形圖標來(lái)表示內存層次結構。形狀表示速度、成本和大?。涸娇拷敳?，內存越快，每比特成本越高；層的底部越寬。

cache層次思想是計算機軟硬件非常偉大思想，一直延伸到現在redis緩存MySQL，本地緩存遠端網(wǎng)絡(luò )等等。

8、通過(guò)冗余提高可靠性

計算機不僅需要速度快；他們需要可靠。由于任何物理設備都可能發(fā)生故障，因此我們通過(guò)包含冗余組件來(lái)使系統可靠，這些組件可以在發(fā)生故障時(shí)接管并幫助檢測故障。我們使用拖拉機拖車(chē)作為我們的標志，因為其后軸兩側的雙輪胎允許卡車(chē)在一個(gè)輪胎失效的情況下繼續行駛。（據推測，卡車(chē)司機會(huì )立即前往維修設施，以便修復漏氣的輪胎，從而恢復冗余?。?/p>

提高可靠性最笨的辦法，也是最有效的方法就是冗余設計，大到飛機的雙引擎設計，小到數據庫冗余備份模型，服務(wù)器熱備，冷備，異地多活等等。

編輯：黃飛