计算机系统结构发展(2)

　　五、计算机系统结构的未来发展
　　纵观目前各大高校计算机系统结构方向的研究生院专业设置，以及各种计算机系统结构的学术会议和论文，网格计算、高性能计算与并行处理、容错计算、光计算机系统、嵌入式系统，都是计算机系统结构未来发生重大突破的契机。
　　1.现阶段研究领域的突破
　　截止前不久第十五届全国计算容错会议落下帷幕，我国容错计算领域已经走过了超过18个年头。文献[5]研究和分析了几种面向通用的容错计算机系统结构，在充分考虑成本、可靠性、处理能力、升级、开发周期、灵活性等因素的基础上，提出了一种开放的、高性价比的、通用的计算机结构。
　　随着云计算、大数据逐渐渗透进计算机各个领域，并行计算也成为目前计算机系统结构领域的重要研究方向。文献[6]为我们介绍了可扩展并行计算机系统结构的发展。可以看到，并行机的发展取得了很多成就，国内外有许多优秀的并行机也已经投入使用，而我国在这个领域也具有相当的影响力。
　　在计算机体系结构发展中，除了处理器的发展受到广泛关注外，其他如存储器和总线的发展也至关重要。文献[8]为我们介绍了计算机总线技术的发展。
　　2.计算机系统结构的发展趋势分析
　　计算模型是计算机体系结构发展的主要标志，后者是前者的具体体现。因此，计算机体系结构的发展可以参照计算模型的发展。基于控制驱动和共享数据的计算模型是传统体系结构的主要控制机制，未来主要有三个研究趋势：数据流系统结构、归约系统结构、智能系统结构，分别对应数据流计算机、归约计算机和智能计算机。[4]
　　计算模型有如下四种控制机制：控制驱动、数据驱动、消息传送和模式匹配。数据流系统结构基于数据驱动和消息传送。图归约和串归约均为归约系统结构，其中，图归约系统结构是基于需求驱动和消息传送的计算模型。智能机主要应用在知识处理领域。
　　2.1数据流计算机
　　数据流计算机顾名思义是基于数据流的计算机，它采用数据驱动的计算模型，较传统计算机具有更高的并行性。
　　数据驱动的数据流方式是指：一条指令或一组指令的执行由其所需的操作数驱动，一旦操作数全部准备就绪，指令立即被激发执行。而下一条或下一组指令的执行，同样由上条或上组指令的输出结果及其他所需操作数驱动执行。采用这种方式的CPU将不再需要程序计数器。由于指令的执行完全受数据流驱动，指令并非按所属的程序存储顺序，而是基本无序的。
　　文献[10]为展示了一种数据流计算机的实现，介绍了数据流机的数据驱动二种、数据流程图、数据流程序设计语言以及其特殊的系统结构。
　　2.2归约机
　　归约机同样是基于数据流，但其驱动方式与数据流机不同，归约机采用的是需求驱动的计算模型。在归约机中，指令的执行受其他指令的驱动，即指令因其他指令的需要而执行。
　　归约是指将表达式不断化简直到获得最简表达式的过程，得到最简表达式也就得到了最终的计算结果。归约机的设计是面向函数式程序设计语言的。这种程序设计语言也简称为函数式语言，是一种面向问题的说明性问题，即它是描述问题而非解决问题的程序设计语言。
　　函数式语言通过对表达式的归约产生结果数据，进而驱动归约机中指令的执行，由此产生指令执行顺序。
　　按照函数表达式存储结构不同，归约机分为串行归约机和图归约机两类。前者以字符串形式存储函数表达式而后者以图的形式存储。
　　2.3智能机
　　智能机用于知识信息处理，它由以下几个部分组成：推理系统、智能机口、数据库系机和知识库机。其中，后两者是包含存储器及处理器的专用机，用来获取、表达、存储和处理庞大的数据和各种人类知识。智能机的发展跟数据挖掘、信息抽取、人工智能等领域的研究密不可分。
　　随着计算机网络的飞速发展，信息时代计算机需要处理的远不止传统的冯·诺依曼机复杂的数值计算任务，更多的是应对各种各样数量庞大的非数值计算任务。处理非数值数据涉及到的核心问题是如何对人类知识进行存储和处理，这就需要保证知识一致性和快速实时响应。然而传统冯·诺依曼机却不能有效保证这两点。数据库机和知识库机的概念的产生真是基于以上需求。数据库机和知识库机结构的设计应满足一下几点要求：
　　具有快速查询数据和知识的能力
　　能够存储大量数据和知识
　　采用模块化结构，一边能够充分利用VLSI技术提供性能良好的用户接口，使数据库和知识库机能与各种前端机连接，以便让更多用户访问。
　　3.新型体系结构
　　3.1后PC时代的计算机系统结构的发展
　　文献[7]提出，由于个人移动电脑将是后PC时代上的主流产品，因此对当今的微处理器在实时响应、DSP支持、高效能量供给等方面提出了新的挑战。新的微处理器实际上是通用处理器与数字信号处理器（DSP）的结合。因此主要需要满足下列4个条件。
　　高性能：首先是实时响应，能保证在效率最差的情形下也能对实时信号（如视频）作出反应。连续媒体数据类型，要求系统能处理连续数据流的输入，并不间断输出结果.其它还要求高存储器带宽、高网络带宽、细粒度并行性、粗粒度并行性、高指令参照定位等。
　　高效率能童系统：这种装里预计功耗应小于2w，处理器的功耗应设计在1w以下，且仍能处理像语音识别这样的高性能操作。现今高性能徽处理器数十W的功耗是不能接受的。
　　小巧玲珑：尺寸小、重量轻也是重要条件之一这就需减少芯片数，提高集成度，像在PDA里一样，要节省内存的开销，减小代码和程序的大小。
　　设计的复杂性和可缩放性：一个系统结构应该不仅在性能上而且在物理计上，能有效地缩放。台式计算机芯片间长线互连的方式在未来处理器狭小空间里是不合适的，应该避免。
　　3.2其他
　　中国工程院院士邬江兴在2013年“高效能计算机体系结构”国际战略高端论坛上发布了“基于认知的主动重构计算体系”（简称PRCA）的新概念高效能计算机体系，邬院士称该体系经初步原理验证，效能至少比传统高性能计算机提高10倍以上。
　　计算机系统结构的变革是同器件变革以及技术变革相辅相成的，目前量子计算机、光子计算机、生物计算机、纳米计算机等新型计算机正处于研测试用或设想阶段，未来计算机系统结构发展必将出现飞跃。
　　参考文献
　　[1]吕丽娟，丁毅民.浅谈计算机体系机构的发展，计算机工程与应用.1999：56-57.
　　[2]肖朝晖.计算机体系结构的发展及技术问题探讨，信息化纵横.2009：第12期.1-3.
　　[3]我国成功研制世界首台结构动态可变的拟态计算机.http：//www.gov.cn/jrzg/2013-09/21/content_2492248.htm
　　[4]王丽晖.现代计算机系统结构发展趋势分析，开发展望.2005：4-5.
　　[5]欧中宏，袁由光，李海山等.一种高性价比的容错计算机结构，第十届全国容错计算学术会议.
　　[6]曾庆华，陈天麟.可扩展并行计算机系统结构和发展现状，计算机科学.2003：第30卷，第9期.158-161.
　　[7]龚明.后PC时代计算机系统结构的发展，计算机工程.2001年3月：第27卷，第3期.1-2.
　　[8]范玲玲.计算机硬件知识体系的结构框架研究，信息产业.2013：178.
　　[9]王群.计算机总线技术的发展，煤炭技术.2013：第32卷，第3期.81-83.
　　[10]尹志宇，姜兴华，张庆秀.数据流计算机—一种新型的计算机系统结构模型，石家庄职业技术学院学报.2002年6月：第14卷，第2期.15-16.
　　[11]王光，王乾坤.一种基于一维SIMDPE阵列的控制器设计，微电子学与计算机.2013年4月：第30卷，第4期.34-36.