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计算机进步

Prestige讲座于2004年2月5日提交给剑桥大学独立外部评价

莫里斯·威尔克斯

计算机实验室

剑桥大学

第一个存储程序计算机在1950年左右投入使用， 而由我们在剑桥建立的EDSAC在1994年夏天首次投使用。

这些早期的实验计算机是由像我一样的背景的人建造的。我们都有丰富的电子工程经验，毫无疑问这种经验将使我们处于良好的状态，不过我们仍需通过不断地学习获取新的知识。其中最重要的是瞬变必须正确处理;导致电视机屏幕上的无害闪光的东西可能会导致计算机的严重错误。就计算电路而言，我们发现自己有一个embarass derichess。例如，我们可以使用真空管二极管作为门EDSAC或五极管在两个网格上具有控制信号，这是在其他地方广泛使用的系统。这种选择持续存在，并且逻辑家族一词开始使用。那些已经在电脑领域工作过的人会记住TTL，ECL和CMOS。当然，CMOS现在已成为主流。

再早些时候，IEE仍然由电力工程主导，我们不得不与一批获得无线电工程以及快速发展的电子产品的主题相竞争。这被称为IEE光电流电气工程，我认为我们组织很难具有相同的想法，因为电源工程师的做事方式和我们截然不同。所有IEE的出版都是由一个小的刺激元开始的，而且所有的文件都将从早期的长篇陈述设计开始，由于没有早先的做法有些事情做起来是很困难的。

1960年代进行整合

到50年代末60年代初，英勇的开拓阶段已经结束了，电脑领域真正开始兴起。世界上的计算机数量增加，他们比早期的计算机更可靠。那几年我们可以列出高级语言和第一个操作系统。实验和分享正在进行，最终计算机图形学出现。首先，晶体管开始取代真空管。这个改变对当今工程师提出了一个巨大挑战。他们不得不摒弃他们掌握的电路知识并再次学习。而且他们测量得非常好，面对挑战，变革不可能一帆风顺。

很快，研究发现可以将多个晶体管放在同一位的硅上，这是集成电路的开始。随着时间的推移，更高的集成水平达到让一个芯片可以容纳足够小的晶体管门或触发器的数量。这导致了一系列称为7400系列的芯片。门和触发器是彼此独立的，每个都有自己的引脚。它们可以通过片外布线连接，以制作计算机或任何其他东西。

这些芯片使得一种新型的计算机成为可能。它被称为小型计算机。它是一个不如大型机，但仍然非常强大，价格更实惠。一个企业或一所大学能够为每个主要部门提供小型计算机。而不是一个昂贵的大型机，长时间的小型机开始传播，变得更强大。全球科技发展渴望的是计算能力，对不能满足日益增长的计算需求感到沮丧。然而小型机改变了这种情况。计算成本的下降没有从小型计算机开始;这就是我上文提到的意思，通货膨胀在计算机行业走上了另一条道路。随着时间的推移人们得到了更多的钱。

计算机硬件研究

我描述的那段年代计算机硬件研究取得重大突破的时代。7400系列的用户可以在门和触发器级别工作，但是整体水平足以提供一定程度的可靠性，其性能远高于离散晶体管。在大学或其他地方的研究者，可以建立一个丰富的想象力能设计出任何数字设备。在计算机实验室我们建立了剑桥CAP，一个具有理想能力逻辑的全尺寸小型计算机。7400系列在20世纪70年代中期仍然强劲，并用于Cambridge Ring，那是一个开创性的宽带局域网。其设计研究就在以太网公布之前。直到这两个系统出现，用户大多已经满足基于电传的本地区域网络。它需要高可靠性，因为当脉冲重复地环绕环时，它们必须连续扩增和再生。这是高可靠性提供的7400系列芯片给了我们勇气踏上剑桥环这个项目。

RISC运动及其后果

早期的计算机有简单的指令集。随着时间的推移，设计师为商用机器增加了附加功能，他们认为会提高其性能。通过很少的比较测量，总体上功能的选择取决于设计师的直觉。

在1980年，改变这一切的RISC运动打破了世界。这个运动由Patterson和Ditzel发起，开始于“简化指令集计算机的情况”的一张纸。它有一个醒目的首字母缩略词，这个标题传达的一些洞察指令集设计与RISC运动不同，特别是它便利的流水线操作，这几个指令可以在处于不同阶段的系统处理器内同时执行。虽然管道不是新的，但它是新的小型计算机RISC运动，受益于最新的方法指导，它可用于预计计算机的性能而并非实现这些功能。这里指的是使用强大的现有计算机模拟新技术。通过使用模拟，RISC的倡导者能够对预测有一定的信心，一个好的RISC设计能够指导最好的常规计算机使用相同的电路技术。这个预测最终是在实践中诞生。模拟的发展速度非常快，不久被计算机设计师普遍使用。因此，计算机设计已经变得更像一个科学而不是艺术。今天，设计师希望有一个房间和电脑可以做他们的模拟，而不仅仅是有一个有吸引力的计算机农场名字的空间。

x86指令集

很少有人听说过前RISC指令集有一个例外，即的英特尔8086及其后代，统称为x86。这已经成为优势指令集，和最初具有的RISC指令集比它更多的的成功是必须为生存而奋斗。这个x86的主导地位就像每个个体一样使人们自己来研究的自己翅膀。毫无疑问，计算机领域的学术和工业注意事项与x86的生存有很大关系，但还有其他原因。然而，我们研究面的对象更想要其他东西。高级语言还没有完全消除机器代码的使用。我们要不断提醒自己，对于严格的二进制兼容性有很多可以实现。然而，事情可能已经不同，如果英特尔想要生产一个好的RISC芯片以获得更多成功。我指的是i860（不是i960，这是不同的东西）。在许多方面i860是一个优秀的芯片，但它的软件接口使它不适合用于工作站。在x86的这个显而易见的后端有一个有趣的刺指令系统。证明不可能匹配RISC的稳定增长速度处理器通过直接实现x86指令集来实现过去。相反，设计师从RISC的书中抽出一片叶子;虽然不明显，但表面，一个现代x86处理器芯片包含了一个RISC风格，隐藏在其中，而处理器具有自己的内部RISC编码。输入的x86代码，在适当的操作之后，转换成这个内部代码并交给RISC处理器执行关键步骤。在这种RISC运动的总结中，我非常依赖最新版本的轩尼诗和帕特森的计算机设计书作为我的权威支持;参见特定计算机体系结构，第三版，2003，pp 146，151-4,157-8。

IA-64指令集。

前段时间，英特尔和惠普推出了IA-64指令集。这个主要旨在满足对64位地址空间的公认需要。在这一点上，它跟随MIPS R4000和Alpha的设计师的领导。然而人们认为英特尔会强调与x86的兼容性的谜题，他们做的恰恰相反。此外，内置于IA-64的设计是一个称为预测的功能，它与所有其他指令集的主要方式不兼容。特别是，它需要每个指令的6个额外位。这打乱了教学之间的传统平衡字长和信息内容，编译器有很大的变化。尽管有一个全新的指令集，英特尔提出了令人困惑的说法即基于IA-64的芯片将与较早的x86芯片兼容。恰恰很难明白是什么意思。芯片为最新的IA-64处理器，即安腾，硬件兼容似乎有特殊之处。即使如此，x86代码运行速度很慢。由于上述复杂性，IA-64的实现需要更大的芯片而且比常规指令集所需的时间长。反过来意味着更高成本。这无论如何，这是一种智慧，作为一般原则，它是由戈登·摩尔在最近访问剑桥时参观了贝蒂和戈登摩尔图书馆提出。然而，我我认为这事情的出现不同于英特尔。这个我不明白。但我很愿意承认我完全不了解我对半导体经济学的深度研究。AMD已经定义了一个与x86和它们更兼容的64位指令集，似乎正在与它们取得进展。芯片不是一个特别大的芯片。一些人们认为这是英特尔应该做的。 [讲座交付后，英特尔已经宣布，他们将会推出一系列由AMD提供的基本上兼容的芯片。]

朝向较小晶体管驱动

整合规模继续增加，通过收缩实现的原始晶体管，使得更多的晶体管可以放在芯片的另一方面。晶体管不仅得更快，而且变得更小。因此，可以同时具有高密度排列和高速度。还有一个优点。芯片在被称为晶片的硅盘上制造。每个晶片上具有大量的单独芯片，它们一起被处理后来分离。由于收缩可以在晶片上获得更多的芯片，使得每芯片成本下降。下降成本对于单位行业是重要的，因为如果最新的芯片更便宜以及更快做出来，没有理由继续提供旧的，至少没有无限期。因此，整个市场可以有一个产品。然而，详细的成本计算表明，为了保持这个优势收缩超过某一点，就需要移动到更大晶片。晶片尺寸的增加并不小。最初，晶片只有一个或两个英寸的直径，到2000年，它们多达12英寸。起初，它困惑了我，当收缩提出了这么多其他问题，工业应该通过更大的晶片使事情变得更难。我现在看到了降低单位成本对行业同样重要，因为增加的数量晶体管在芯片上，这是合理的额外投资铸造厂和风险增加。通过特征尺寸来测量积分度，对于给定的尺寸，特征尺寸技术，最好认为最密集芯片中导线之间距离的一半在使用该技术。目前，仍然有90nm的芯片的生产在进行。

悬架的法律

1997年3月，戈登·摩尔在Cavendish实验室的电子发现百年庆祝活动中担任客座演讲嘉宾。这是他讲课的过程中，我第一次听说硅芯片快速和低成本的事实被描述为违反墨菲定律或索德定律，通常在英国叫索德定律。摩尔说，在其他领域的经验会导致你在速度和成本之间进行选择，或者在它们之间进行折衷。在事实上，在硅芯片的情况下，可能具有两者。在网上的一本参考书中，1949年美国空军在加速测试中Murphy被确定为一名工程师。但是，我们在学生时代熟悉的法律，当我们用更加平淡的话来称呼它的名称时比上面提到的任何一种都普通。我们甚至有一个模拟考试的问题，而且这是法律特色类型的问题，其中第一部分要求对某些法律或原则的定义，第二部分包含要借助它解决的问题。在我们的例子中第一部分是定义普通法的法律，第二是一个骑自行车的人开始循环骑自行车之旅。随时导出风向的方程的问题;

单片机

在每次收缩时，芯片数量减少，导线数量减少，少数的导线从一个芯片到另一个。这导致了总体速度的额外增加，因为从一个芯片到另一个芯片的信号传输花费很长时间。最终，收缩进行到整个处理器，高速缓存的点可以放在一个芯片上。这使得一个工作站被构造成为一天中运行速度最快的小型机，而结果是因为小型计算机的晶片运行速度快而导致。我们都知道，这对计算机工业和为它工作的人有严重的后果。从上面的时间来看，高密度CMOS硅芯片就好比雄鸡的头。收缩进行，数百万晶体管可以放在单个芯片上，并且速度比例一直上升。处理器设计人员开始试验新的架构特性给予额外的速度。一个非常成功的实验会去涉及用于预测的方法方式程序分支。这是一个惊喜。它大大加快了程序执行和其他形式的制定，随后同样令人惊讶的是，已经发现可以放在单片机上通过高级功能来实现。例如，为开发的功能IBM Model 91.巨型计算机在System 360系列的顶部发现在微型计算机墨菲定律仍处于暂停状态。不再是有意义的电脑实验构建出来的芯片与小规模的集成，如此由7400系列提供。人们想在电路做硬件研究水平没有选择，但一段时间来，使他们寻求方法来设计芯片，这是很有可能的，不幸的是，制造芯片的成本急剧增加，主要是因为制造用于光刻的掩模的成本增加，摄影工艺用于制造芯片。结果，融资研究芯片的制造再次变得非常难，这是目前最让人关注的一些原因。

半导体路线图

通过国际社会的合作努力，为以上进展的广泛研究和开发工作半导体工业奠定了基础。

美国的垄断法一度使美国公司非法参与这样的竞争。然而，1980年有着显著和深远影响的法律发生了变化。竞争前的研究多是概念性的。公司现在可以在竞争前阶段进行协作，以后再进行以定期的竞争方式开发自己的产品。

半导体行业竞争前研究的东西被称为半导体工业协会（SIA）。从1992年起作为美国组织活跃，1998年成为国际性组织。成员资格对任何可以为研究工作做出贡献的组织开放。每两年SIA生产一个称为国际新版本半导体技术路线图（ITRS）的文件，中间件更新年份。第一卷标题为“路线图”的卷于1994年印发，但有两份报告，写于1992年，1993年分发，被认为是真正的开始系列。连续的路线图旨在提供最佳的工业共识行业应该继续前进。他们出演了地平线十五年了。芯片上的组件的数量每十八个月都要加倍，这是必须实现的目标。可摩尔定律要继续研究，使每个芯片的成本下降。在一些项目未被开发时，前面的方式是明确的。并且在其他地方，制造问题对它们的解决方案是已知的，这些区域在表中被染成黄色。预见到问题的区域被着色为红色。虽然尚未完全解决;，但是其中没有可制造的溶液是已知的，参考红色区域作为红砖墙壁。路线图中列出的目标已被证明是现实的，整个行业的进展密切跟随路线图具有挑战性。这是一个卓越的成就，可以说，合作的优点和竞争以令人钦佩的方式结合。

需要注意的是影响行业发展的主要战略决策已经在竞争前的水平上采取相对开放，而不是落后关门。这些包括进入更大的晶片。到1995年，我开始想知道当必然的一点会发生什么达到了不可能使晶体管更小。我的疑虑导致我访问华盛顿特区的ARPA总部，在那里我得到了最近制作的1994年路线图的副本。这使得它显得那么严重，当达到100nm的特征尺寸时，将出现问题，事件投影发生在2007年，接下来2010年是70纳米。100nm到来的一年（或更确切地说90nm）被推测为在后来的路线图向前移动到2004年和在行业之前。来自1994年路线图的上述信息以及这样的信息我可以在伦敦IEE的演讲中得知，我提出了名为CMOS端点和相关主题，并于1996年2月8日提交。我的想法是，数字的电子可用于表示一个从几千减少到几个百的直接结果。在这一点上，统计波动将变得麻烦，并且此后电路将不能工作，或者他们工作将不是更快的进行。

事实上，现在让自己感觉到的本体限制不会由于电子不足而产生，而

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