微处理器体系结构的变革：从单核到多核

"有关体系结构的新旧观念-计算机系统结构" 在计算机系统结构领域，观念的转变对于推动技术发展至关重要。过去的传统观念认为电力是免费的，而晶体管成本较高，因此设计时着重考虑如何通过优化指令级并行（ILP）来提升性能，例如采用乱序执行、推测执行和VLIW（超长指令字）等技术。然而，随着“功率墙”的出现，电力成本上升，而晶体管变得更加便宜，导致可以在芯片上放置远超实际需要的处理单元。这带来了新的挑战，因为并非所有晶体管都能被有效利用。 旧观念中，乘法器速度相对较慢，而内存访问速度较快。但随着技术的进步，现在的乘法器速度已显著提升，相比之下，内存访问速度却成了性能瓶颈，即所谓的“内存墙”。以前，单处理器性能大约每1.5年翻一番，但现在受到功率墙、ILP墙和内存墙的制约，性能提升速度减缓，可能需要5年时间才能翻一番。 为应对这一变化，芯片设计策略发生了重大转变，转向了多核架构，即每两年将处理器数量翻一番。这种设计策略更有利于提高能效，因为更多的、更简单的处理器可以更有效地共享资源和任务。 在中国科学技术大学的课程中，周学海教授的现代微处理器体系结构课程旨在让学生掌握系统定量分析的方法和技术，深入了解提升CPU性能、存储系统优化、数据级并行和线程级并行的基本原理。课程推荐了《计算机体系结构：量化方法》和《计算机组织与设计：硬件/软件接口》作为主要教材，涵盖了简单机器设计、内存层次结构、复杂流水线、显式并行处理器和多处理器架构等多个主题。 通过学习这些内容，学生将能够理解和应用最新的体系结构观念，解决现代计算面临的挑战，如性能瓶颈、能效管理和并行处理等。这些技能对于未来的计算机系统设计师和工程师来说是至关重要的。