计算机体系结构.计算机发展历史

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VIP免费原创最新推荐文章于 2026-04-24 00:30:00 发布 9.9k 阅读 AI 写同款· GEO 优化 ›

Day3计算机网络概述——计算机网络体系结构-概述、OSI参考模型、服务模型、发展历史三、计算机网络体系结构 计算机网络是一个非常复杂的系统,涉及许多组成部分:  主机（hosts）  路由器（routers）  各种链路（links）  应用（applications）  协议（protocols）  硬件、软件  …… 要以怎样的角度去理解和分析计算机网络体系结构？先来看一个航空旅行的结构帮旅人从一处到另一处。每层完成一种（类）特定服务/功能每层依赖底层提供的服务，通过层内动作完成相应功能 1.计算机网络概述 1.1计算机网络的体系结构概述 网络体系结构是从阅读详情

计算机体系结构.计算机发展历史

两大定律与两种结构

既是要回顾计算机的发展，那必然绕不开著名的摩尔定律。当然摩尔定律想必已是闻名天下，但除此之外在体系结构领域内，还有一个定律叫Dennard Scaling，相对而言不是那么有名。

此外还有一个绝对绕不开的，那就是著名的冯诺伊曼结构。比较巧合的是，体系结构领域内也有一个与之对应、却不太出名的，叫哈佛结构。

摩尔定律

相同面积的集成电路里，晶体管数目每18-24个月会增加一倍【1】

值得注意的是，摩尔定律只是一个经验定律，只具有统计学上的意义，而不是一个绝对的法则。目前摩尔定律已经失效了，即晶体管数量的增长已经放缓了。若把18-24个月翻一倍换算成每年的增长速度，则是大约每年翻1.4倍到1.5倍，则增长速度的变化大致如下。

1977年到1997年，平均每年翻1.46倍
1997年到2017年，平均每年翻1.34倍
- 而在2012年到2017年，每年仅翻1.1倍，摩尔定律已不复存在

在这里插入图片描述

在摩尔定律的作用下，计算机体系结构的发展经历了三个阶段【2】

第1阶段：晶体管不够用
- 彼时芯片集成度还很低，有限的晶体管数量限制了系统结构的设计
第2阶段：更多、更快、更省电
- ”更多“即越来越多的晶体管，使得系统结构设计可以大展身手
- ”更快“是晶体管尺寸不断减小，开关速度不断加快，芯片频率也越来越高
- ”更省电“是随着工艺的进步，工作电压越来越低，负载电容也在降低，
第3阶段：复杂、不快、不省电
- ”复杂“是纳米级工艺给物理设计带来的巨大难度，如连线之间的相互干扰、工艺带来的片内漂移问题等等。此外过多的晶体管数目也加大了设计、验证测试的难度。
- ”不快“指的是频率很难再提高了
- ”不省电”则有三方面原因：漏电功耗不断增加乃至不可忽视、晶体管阈值电压很难再降低、连线功耗占主导而不是晶体管功耗

在第2阶段中正是摩尔定律最为有效的阶段，此时系统结构的设计主要集中在ILP（Instruction Level Parallelism）即指令集并行上，进而出现了若干经典的设计：流水线结构、乱序执行结构、缓存层次结构等等。此时还有一个很头疼的问题就是存储墙（Memory Wall）：虽然处理器速度越来越快，但内存速度的提升远远赶不上处理器速度。当内存远远慢于处理器时，就面临一个尴尬的问题：尽管处理器运行得很快，但是由于数据和指令来自于相对更慢的内存，因此处理器再快也没意义，不得不等待访存。缓存层次结构就是解决这个问题的有效方法。

而第3阶段中摩尔定律逐渐失效，原因在于面临的问题越来越多越来越复杂，晶体管数量增长无法保持以前的高速。此时单核性能已经难以提升，进而转向多核结构。难以忽视漏电问题使得设计时需要着重考虑功耗，而不仅仅是考虑性能的提升。功耗问题的出现还有另一方面的原因，那就是散热技术的发展速度远远跟不上处理器的发展速度。

Dennard Scaling

如今功耗问题已不可忽视，而Dennard Scaling正是一个关于功耗的定律。

随着晶体管尺寸越来越小，功耗密度保持不变，即单位面积的功耗保持不变。【3】

原因在于，晶体管尺寸的降低，同时也带来了电压和电流的降低。不严格的来说，晶体管面积与边长是平方关系，使得单位面积内的晶体管数目增加也是平方增加，而电压和电流的则随着边长减小而同时降低，使得单个晶体管的功耗也呈现平方级的下降，总的来说单位面积的功耗保持不变。

这个定律是如此的美好：我们不需要考虑功耗问题，只要堆越来越多的晶体管，就可以直接获得性能上的提升。但这么美好的定律其实也很短暂，原因在于Dennard Scaling只考虑了动态功耗，而在纳米级工艺之前，由于绝缘层足够厚，因此漏电功耗可以忽略不计。而随着纳米级工艺的到来，晶体管内的绝缘层越来越薄，使得漏电流越来越大，漏电功耗几乎是直线上升。

此外从功耗公式上可以来观察一番：

动态功耗(单个晶体管) = 1/2 * 负载电容 * 电压的平方 * 频率
静态功耗 = 漏电电流 * 电压

在只需考虑动态功耗的年代，随着晶体管边长的缩小，电压随着长度缩小而降低，因此单个晶体管的动态功耗呈现平方级降低，而单位面积的晶体管数目平方级增长，因此功耗密度保持不变。而公式中电压的平方，给人们带来了巨大的吸引力，即不断降低电压即可获得更大的主频提升空间。此外还可以通过工艺的改进来降低负载电容，从而进一步为主频提升留出空间。而主频的提高直接带来的就是性能的提升，这一阶段可谓是摩尔定律和Dennard Scaling共同造就的黄金时期。

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而随着工艺的进步，漏电电流持续增大，而电压则无法继续降低——晶体管内的P管和N管有一个开关的阈值电压，因此很难降得很低。在此趋势下，静态功耗持续增加，很快就到了让人无法忽视的境地。而受限于工艺的发展，负载电容也难以下降。另一方面，散热技术的缓慢发展则意味着功耗有一个上限。种种因素下，主频的提升空间变得越来越小。这一阶段Dennard Scaling的失效，使得功耗问题越来越严重，进而使得主频的提升越来越缓慢。