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【科学讲座】孙凝晖:计算机为什么越来越快

中兴的事件让我们打了个冷战。”2018年5月24日晚7点,科学前沿进展名家系列讲座Ⅳ第139讲在玉泉路校区阶一5教室举行。中科院计算技术研究所所长孙凝晖研究员从中兴事件谈起,“这次事件所带来的是计算机产业头重脚轻的问题。偏应用,软件薄弱,这反映了学科和产业的极度不平衡。”自此引出了此次讲座的话题。

    计算机的历史上最早可追溯到算盘。在一个算盘中,口诀就是编程语言,算盘珠就是存储器。之后,帕斯卡发明了机械式加法器,巴贝奇发明差分机。图灵的图灵机即是现代计算机的雏形。而从晶体管到集成电路,计算机的速度也在不断提升。

    在45年间,计算机的集成电路从2300个到约数十亿个。最快计算机的速度也在35年间提高了8-9个数量级。对于计算机速度的提升,孙凝晖研究员将原因总结为半导体工艺和体系结构的发展与进步,并重点介绍了体系结构。

    根据摩尔定律,“晶体管物理参数降低α倍,则计算机速度提高α倍。”程序特征驱动了体系结构技术的进步。程序的性能可用一个函数总结——“程序性能= F(程序特征,体系结构特征)”,即程序性能受程序特征与体系结构的影响。这决定了体系结构的4类技术路线——“并行,加速部件,缓存,预测”。体系结构起源于1960年代的IBM System/360和CDD 6600/7600,1980年代提出并行体系结构的概念。

    “简单是计算机发展的一个核心理念”,孙凝晖研究员如是说,而“复杂性是计算机系统结构的第一个代价”。随着计算机器件的增多,计算机的结构也越来越复杂。这让性能为之付出了高昂的代价。“复杂性给时钟频率的提高带来困难,让计算机主频的增长停滞”并行处理体系结构通过增加复杂性提高性能,而系统结构的复杂性导致了功耗问题,“因此要提高计算机性能,首先要降低功耗”。孙凝晖老师这样总结到。

    “效率是计算机系统结构的第二个代价”。紧接着,孙凝晖研究员向同学们讲述了效率这一关键因素的具体表现。硬件规模越来越大,可扩展系统规模越来越大,高性能计算机的并行效率也越来越低。“唯一的解决办法是Hierarchy”。并行编程也是要付出的代价。同时并行处理也加剧了计算机在编程性和效率上的矛盾。所以计算机技术越发展,编程越困难。

    计算机领域的三大问题(巴贝奇问题、布什问题、图灵问题)及对其的研究产出了大量新技术。孙凝晖研究员将信息化时代的演变概括为——由IT1.0(模拟时代),IT2.0(数字时代)逐渐过渡到IT3.0(泛在时代)。万物的计算机化,人、机、物的三元互联,智能的再次觉醒是影响未来计算机性能的三个趋势,包括从通用到领域专用、高通量计算机和访存可控的计算机结构,及物端计算机生态系统。

    最后,孙凝晖研究员再次讨论了中兴事件,“核心技术是中国的软肋,是压在中国骨干企业头上的沉重天花板”。而在当前历史进程下,计算机的发展充满了机遇。“因此中国要想彻底独立就必须发展。”孙凝晖老师以此结束了本场讲座,在座同学们对老师不吝热烈的掌声。(文/梁阳光 图/孙小丁 来源 国科大记者团

孙凝晖老师带来精彩讲座

主讲人简介

孙凝晖,男,1968年3月出生,1989年毕业于北京大学,1999年于中国科学院计算技术研究所获博士学位,现为中科院计算所研究员,所长,计算机体系结构国家重点实验室主任,博士生导师。作为负责人主持曙光2000、曙光3000、曙光4000、曙光5000、曙光6000系列等高性能计算机的研制,并多次获得国家科技进步奖一、二等奖,中国青年科技奖,中国科学院杰出成就奖,中国十大杰出青年,国家基金委杰青等。主要研究领域是高性能计算机、计算机体系结构。

延伸阅读:

科学前沿进展名家系列讲座”创办于2014年9月,是中国科学院大学为本科生开设的必修课程,同时欢迎研究生与教职工参加,由中国科学院大学本科部主办,讲座召集人为徐涛院士。该课程按照数学、物理、化学、生物、材料、计算机、天文、电子信息工程、环境九个专业,邀请相关科学领域的院士等知名专家开展专题讲座。通过讲述科学故事、介绍相关学科方向的科学前沿进展,让学生在本科阶段了解不同学科的科研方向与主要进展,拓宽学生的学术视野,为他们最终选择学科专业与专业方向提供丰富的判断依据。