图灵奖是计算机协会 (ACM) 于 1966 年设立的奖项,专门奖励对计算机产业有长久、持续性杰出贡献的人物,而其评奖领域包含了计算机应用架构、编程语言,以及关键算法等。一般而言每年只会选出一名得奖者,除了个别研究领域的差异外,评奖的技术类型每年也都或多或少会有不同之处,因此同一年同样领域同时有两名得奖者的案例并不多。
由于评奖的规则和要求极为严苛,自设立以来能得奖者寥寥可数,计算机产业把能得此奖当作是至高无上的荣耀,甚至被誉为“计算机界的诺贝尔奖”
图灵奖 2017 同时颁发给前斯坦福大学校长 John L. Hennessy 与加州大学伯克利分校退休教授 David A. Patterson,而两人目前分别担任 Alphabet 的 董事长,以及 Google 的研究员。两人得奖的理由是发明了改变世界的低功耗精简指令集计算机 (RISC) 处理器,二者得奖的理由虽然相同,但其研究领域来看,一个是真正的 RISC 发明者,另一位则是基于 RISC 架构的二次研发,推同样推动 RISC 技术的发展,但本质上有着相当程度的差异。
RISC架构发明者
先从 David A. Patterson 谈起,大名鼎鼎的 RISC 架构其实就是他发明的,也就是说,他就是目前所有包含 SPARC、DEC、ARM 以及 MIPS 等高性能或低功耗 RISC 处理器的始祖,目前全世界最主流的智能计算终端,也就是智能手机产品中采用的 ARM 架构,基本上就是 RISC 架构的一种分支。若合计所有计算领域中的各类型 RISC 处理器,其占全球年出货量 160 几亿颗处理器中达超过 99% 的比重。
图丨David A. Patterson
RISC 的概念就是只保留处理器中最常用的指令集,并从芯片设计上舍弃其他不常用的指令集,借以提高整个系统芯片的集成度以及反应速度,因此也被称为精简指令集处理器,而相对于精简指令集处理器的就是 CISC 复杂指令集处理器,后者最常见的就是来自英特尔与 AMD 的 X86 处理器。
一般而言,复杂指令集处理器通常包含了 300 到 500 个指令集,而精简指令集约只会使用大约三分之一的指令集数量。复杂指令集的特色是指令数目多,且一个指令通常包含了尽可能多的操作集合,这使得每个指令所需的执行时钟数也都不同,因此非常难以优化。
而精简指令集不止在指令数目大幅精简,并且将所有指令规格化,所有的指令都必须在相同的时钟数完成操作流程,且因为九成以上的指令都是采用硬件执行,因此优化难度低,执行效率高。不过 RISC 并非没有缺点,其需要内建的寄存器数量要明显多于 CISC 架构,而且编程代码量也会比 CISC 架构多上不少,对内存系统负荷较大。
但无论如何,通过对整体管线、总线与存储设计的针对性优化,RISC 架构不仅在高性能计算平台上重新崭露头角,并几乎垄断全部的低功耗应用,X86 体系则是在搭配超纯量、庞大总线传输能量下,在超算、数据中心与 PC 应用中独霸一方,不过其低功耗平台因成本难以下降,无法与 RISC 架构竞争。
David A. Patterson 发明 RISC 架构之后,并没有止步于此,他更代表 Google 参与 RISC-V 基金会并成为董事会成员,目标是使自由开放的 RISC-V 指令集架构能像开放操作系统 Linux 一样受到市场欢迎。
在此必须要特别提一下 RISC-V,此架构是 SiFive 的联合创始人和首席架构师 Krste Asanovic 所发明,而 RISC-V 的基金会则是由 Google, Microsoft, Qualcomm, AMD 和华为等超过六十个会员组成,他们共同推进架构的发展。包括联发科以及 NVIDIA 都打算利用此架构推出自己的方案,用以取代 IP 与设计制造成本日渐昂贵,且因垄断而显得霸道的 ARM 架构。
MIPS的发明者
而现任 Alphabet 董事长 John L. Hennessy,则是与 Skip Stritter 和 John Moussouris 博士共同创立了 MIPS 计算机系统公司,他也是最初的 MIPS 架构的设计者之一。
图丨John L. Hennessy
MIPS 架构是基于 RISC 的衍生架构之一,过去曾有一段不短的时间,与 ARM、X86 架构在各领域拥有相提并论的地位。作为 RISC 架构最成功的实践者之一,MIPS 在一些细节上采用了与原始 RISC 架构不同的概念,比如说 MIPS 架构极度简化流水线的设计,在寄存器的设计与使用上则是采用添加大量寄存器的方式,并通过编译程序的优化来善用这些寄存器,使其发挥最佳效能。原始 RISC 架构则是通过寄存器窗口的概念,将不同寄存器分割成不同区块,编译程序只能将寄存器用于全局或局部的不同规模变量中,在变量的数量有限的状况下,其效率可达到非常高,但寄存器窗口本身相当消耗计算资源。
作为最初 RISC 架构的最佳改造者,MIPS 架构并广泛应用在游戏机、网络通信产品以及各种嵌入式设备中,过去也曾当作高效能计算架构使用到超算平台上。只不过后来 MIPS 经营不善,在架构改朝换代缓慢,且未能配合主流操作系统与设备生态优化潮流,最终被市场抛弃,而被英国 Imagination 公司收购,但 Imagination 未能扭转 MIPS 的命运,最终又转卖给 Tallwood MIPS Inc(硅谷创投公司 Tallwood 间接持有的公司),从美国公司变成英国公司,最终又回到美国手上,但相关专利早就已经被 ARM 瓜分殆尽。
作为MIPS的设计者之一,有不少独创的CPU架构设计很多是出自 John L. Hennessy之手,虽然 MIPS 的荣光不再,但其相关专利的重要性与在历史上的地位不容抹灭,也因此 John L. Hennessy 与 David A. Patterson 共同获得 2017 年图灵奖。
两大图灵奖得主皆为Alphabet集团重要成员,未来自研架构脚步将加快?
2016 年 David A. Patterson 加入 Google 后,不仅担任其研究院要职,亦代表 Google 参与 RISC-V 基金会担任董事,而 John L. Hennessy 曾参与设计 MIPS 架构,对架构有着极为深厚的功力与知识,更直接接任集团执行长的任务,两个人的结合会带出怎样的火花?
我们已经看到过去几年 Alphabet 对开发其自有计算架构抱着浓厚的兴趣,事实上,他们已经推出了两代 TPU 计算芯片产品,也在其智能手机产品 Pixel XL 2 中导入 Pixel Visual Core 图像计算加速芯片。
加上其在 RISC-V 的投入,其自有计算架构从 CPU、TPU 到 NPU,布局已经相当完整。由于 X86 和 ARM 都已经过度缺乏竞争对手,使得相关架构的进步脚步有明显放缓的状况,David A. Patterson 与 John L. Hennessy 的合作是否代表 Alphabet 想要摆脱这两大架构的束缚,未来将走出自己的路?
DT 君认为可能性相当大,Alphabet 从操作系统平台、手机、家用智能产品、汽车等不同领域的消费性终端都有极为深刻的布局,生态也非常完整,如果再补上处理器这个缺口,Alphabet 将继苹果之后成为另一个完整的生态霸主,且内核不会受制于既有的市场垄断者,可更深度针对自有生态进行优化,或可藉此在消费市场压制苹果的气焰,并摆脱服务器系统对 X86 与 GPU 的依赖。
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