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1971年發(fā)明的處理器芯片起著(zhù)定義計算機的作用，從此，計算機是按照處理器芯片的發(fā)展而演變的,是芯片上的計算機，處理器芯片的 ISA(Instruction Set Architecture，指令集架構)已是國外的一統天下。1987年人們提出了系統芯片(SoC)的概念，研究如何將計算機的系統設計都轉移到系統芯片設計上來(lái)，將起到換代的作用。系統芯片已有總線(xiàn)互連的MP(Multi-Processor，多處理器)系統芯片與網(wǎng)絡(luò )互連的AP(Array Processor，陣列處理器)系統芯片，但AP系統芯片還沒(méi)有發(fā)展到成熟的階段，給我國的芯片設計提供了一次競爭的機會(huì )。因此，我們對MPP(Massively Parallel Processing，大規模并行處理)系統芯片體系結構進(jìn)行了研究[1]�，F在，又從數據流動(dòng)的計算模式、并行計算的陣列芯片、應用演變的數學(xué)技術(shù)、以及硅基芯片的制造技術(shù)等4個(gè)方面的統一，研究了陣列處理器系統芯片的發(fā)展問(wèn)題，提出了如何設計一種統一體系結構的陣列處理器系統芯片，簡(jiǎn)稱(chēng)APU(Array Processing for Unification architecture，統一體系結構的陣列處理器)系統芯片。 數據流動(dòng)的計算模式的統一 1935年的圖靈抽象機定義了控制數據流動(dòng)而完成計算的計算模式，現在已形成了指令流、數據流與構令流三種控制數據流動(dòng)的計算模式�，F在流行的控制數據流動(dòng)的計算模式主要是馮·諾依曼的指令流計算模式，有SISD、SIMD、MISD與MIMD四種體系結構的指令流計算模式。但現在的單核/多核/眾核芯片，只實(shí)現了SISD的指令流計算模式，以及MMX[SIMD]，流水線(xiàn)[MISD]，VLIW[MIMD]等低并行計算度的指令流計算模式。由于SIMD的指令流計算模式最適合圖像處理算法，SIMD體系結構的處理器與計算機早已得到了發(fā)展。數據流計算模式是采用電路設計的ASIC/ASSP芯片，或者是靜態(tài)重構的FPGA芯片實(shí)現的，而構令流計算模式是通過(guò)可重構的RC Device(Re Configurable Device)芯片實(shí)現的，它們的計算效率高，應用的設計門(mén)檻也高，沒(méi)有程序設計的靈活性，芯片的品種多。因此，我們研究并實(shí)現了MISD/MIMD的指令流計算模式，它不僅具有數據流/構令流計算模式的計算高效性，而且具有程序設計的靈活性，應用的設計門(mén)檻低，芯片的品種少等。計算模式的統一就是用MISD/MIMD的指令流計算模式，取代沒(méi)有程序設計靈活性的數據流/構令流計算模式，使所有計算統一成指令流計算模式。 并行計算的陣列芯片的統一 從并行計算來(lái)看，有任務(wù)級并行計算、數據級并行計算、操作級并行計算與指令級并行計算的陣列芯片�，F在的MPP計算機主要是按任務(wù)級并行 (TLP，Task Level Parallel)完成計算的;是采用單核/多核/眾核芯片實(shí)現的。單核/多核/眾核芯片正在向TLP計算的MP系統芯片與AP系統芯片演變[2，3]，TLP計算是將任務(wù)(進(jìn)程/線(xiàn)程)映射到核(處理器)上完成計算的，是一種MPMD的計算。由于任務(wù)(進(jìn)程/線(xiàn)程)之間存在同步與互斥問(wèn)題，TLP計算的效率低、編程復雜。數據級并行(DLP，Data Level Parallel)計算是按SIMD模式完成的計算，主要是采用指令流計算模式中的SIMD體系結構實(shí)現的，已有GPU等系統芯片[4,5]，以及GPU或者是CPU+GPU的MPP計算機。操作級并行(OLP，Operation Level Parallel)計算是在數據流計算模式的ASIC/ASSP/FPGA陣列芯片，與構令流計算模式的RC Device的陣列芯片上完成并行計算的，沒(méi)有程序設計(改變)的靈活性�？茖W(xué)和藝術(shù)都是用來(lái)探索4維的時(shí)空關(guān)系的，APU系統芯片是采用PE(Processing Element)之間的鄰接(abutting)技術(shù)，探索4維的時(shí)空并行計算關(guān)系的，實(shí)現DLP計算與指令級并行(ILP，Instruction Level Parallel)計算的。陣列芯片的統一就是SIMD的DLP計算與MISD/MIMD的ILP計算，是采用處理元之間鄰接互連(Abutting)的 APU系統芯片統一實(shí)現的。 應用演變的數學(xué)技術(shù)的統一 計算科學(xué)是源于數學(xué)思維與工程思維的“數學(xué)技術(shù)”，它改變了人們的思維方式。芯片集成度按照摩爾預言速度上升的結果，在高性能計算、網(wǎng)絡(luò )化計算與嵌入式計算的應用演變中，數學(xué)技術(shù)促進(jìn)了計算機的新發(fā)展。高性能計算機主要是通過(guò)模擬幫助人類(lèi)了解世界與創(chuàng )造世界的，有地球模擬機、藍色風(fēng)暴、宇宙計算機、密碼破譯機與武器模擬機等。這些計算機的名稱(chēng)就說(shuō)明了它們的應用演變，都需要通過(guò)數學(xué)技術(shù)建立很復雜的數學(xué)模型，以及實(shí)驗或觀(guān)測的數據庫。模擬的核心就是建立一個(gè)與真實(shí)或者虛擬系統相關(guān)的數學(xué)模型，通過(guò)數學(xué)模型與數據庫探討對高性能計算機體系結構的影響。網(wǎng)絡(luò )化計算的通信作用是非常成功的，從根本上改變了世界的信息基礎設施�，F在，隨應用演變的數學(xué)技術(shù)，使計算機網(wǎng)絡(luò )的作用已從通信作用，發(fā)展到資源共享的服務(wù)作用，叫做網(wǎng)絡(luò )計算(Net- Centric Computing)/網(wǎng)格計算(Grid Computing)與網(wǎng)絡(luò )存儲。在高性能并行計算與大容量存儲系統的支持下，云計算與SaaS(Software as a Service, Storage as a Service，軟件即服務(wù)，存儲即服務(wù))或HaaS( Hardware as a Service，硬件即服務(wù))等數學(xué)技術(shù)使下一代數據中心將扮演“數據電廠(chǎng)”與“數據銀行”的服務(wù)角色。 嵌入式計算是一種計算技術(shù)與物理世界相結合的服務(wù)模式，有人叫做具體化與物理化應用，模擬了人類(lèi)與物理世界交互的形式，成了有傳感器(模擬人的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)與感覺(jué)等)與執行機構(模擬人的四肢)的計算機，并通過(guò)隨應用演變的數學(xué)技術(shù)，讓工業(yè)機器能像人一樣自主工作。雖然現在人工智能的數學(xué)技術(shù)只使機器人有了邏輯思維能力、部分形象思維能力，基本沒(méi)有創(chuàng )造思維能力，但為機器人研究帶來(lái)了有創(chuàng )見(jiàn)的方法。從形狀來(lái)說(shuō)，有人形機器人與非人形機器人。而美國國防部的變形機器人就是要通過(guò)隨應用演變的數學(xué)技術(shù)，使機器人具有自組裝能力，可保證機器人能成功地登上星球表面。從功能實(shí)現方法來(lái)說(shuō)，有人工方法與自然的仿生方法。人工方法的機器人有手術(shù)機器人、自動(dòng)駕駛機器人等。仿生方法的機器人有氣流發(fā)音的機器人、重力行走機器人、化學(xué)機器人、神經(jīng)元機器人、情感機器人、模擬生物進(jìn)化過(guò)程的機器人、以及分子機器人等，仿生方法使隨應用演變的數學(xué)技術(shù)的計算日益自然化。計算技術(shù)的飛速發(fā)展，也體現在編程語(yǔ)言的演變上，從最早的Basic到Algol，再到Fortran，以及現在的接近匯編語(yǔ)言的C語(yǔ)言。數學(xué)技術(shù)最后是通過(guò)匯編語(yǔ)言映射到計算機上完成計算的。匯編語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)是程序質(zhì)量高，缺點(diǎn)是可讀性差，沒(méi)有兼容性，是不統一的。因此，APU系統芯片的ISA不是用助記憶符的匯編語(yǔ)言描述的，而是采用了一種面向數學(xué)技術(shù)也面向指令定義的映射語(yǔ)言描述ISA的，簡(jiǎn)稱(chēng)M語(yǔ)言 (Mapping/Middle Language)。數學(xué)技術(shù)是統一到映射語(yǔ)言上，以提高程序的復用性的。 硅基芯片的制造技術(shù)的統一 量子計算與生物計算還處于探索階段，現在的計算機是采用硅基芯片制造技術(shù)實(shí)現的。人們預計硅基芯片的制造技術(shù)到2016年將接近其發(fā)展極限，需要尋找新的技術(shù)突破。例如，通過(guò)擴大芯片面積是提高芯片集成度的一種新途徑，就是圓片規模集成(WSI，Wafer Scale Integration)技術(shù)。又例如，混合集成電路是一種小型化、高性能和高可靠的互連封裝手段，國內將其稱(chēng)為二次集成技術(shù)。1993年美國佐治亞理工學(xué)院提出了將SoC芯片、MEMS芯片、以及無(wú)源元件二次集成在一起的SoP(System on Package，系統級封裝)的概念。按摩爾定律發(fā)展的IC芯片僅占一個(gè)系統的10%的體積，而SoP則解決了系統中90%的體積。特別是2007年 Intel公司率先具備了45nm硅基芯片的生產(chǎn)能力，使半導體產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了“材料推動(dòng)革命”的時(shí)代。集成度高達近20億晶體管的32nm芯片接近實(shí)用。 為了解決深亞微米技術(shù)的“紅墻”問(wèn)題與嵌入式應用的小型化問(wèn)題，硅基芯片的TSV三維集成制造技術(shù)得到了發(fā)展。IBM、Intel與 Samsung等都采用了TSV(Through-Silicon-Via，硅穿孔封裝)的三維集成技術(shù)。據IBM稱(chēng)，TSV技術(shù)能使芯片數據所需要的傳輸距離縮短1000倍，連線(xiàn)數目增加100倍，功耗低達20%。IBM將把TSV技術(shù)應用到無(wú)線(xiàn)通信芯片、電源處理器、Blue Gene超級計算機芯片和高帶寬內存中。我國2006年全國科學(xué)大會(huì )提出的“十六專(zhuān)項”體現了芯片設計、制造與應用的產(chǎn)業(yè)鏈特點(diǎn)。在“十六專(zhuān)項”的戰略任務(wù)的牽引下，有望使我國的芯片技術(shù)跟上“摩爾預言”的發(fā)展步伐。制造技術(shù)的統一就是指三維集成的TSV技術(shù)的統一，以實(shí)現嵌入式計算機小型化與解決深亞微米的Red brick Wall(紅墻)問(wèn)題;也是提高我國芯片制造能力的必經(jīng)之路。從設計上講，APU系統芯片的陣列體系結構，以及傳感器、顯示器與存儲器等芯片都是陣列的，是正好適合于TSV技術(shù)的應用的。 結語(yǔ) APU系統芯片是基于三維集成的TSV制造技術(shù)的統一，隨應用演變的數學(xué)技術(shù)的統一、鄰接互連的陣列芯片的統一、以及SIMD與MISD/MIMD的指令流計算模式的統一設計的。因為計算機的ISA是隨應用演變的數學(xué)技術(shù)與硅基芯片的制造技術(shù)的發(fā)展而不斷創(chuàng )新的，APU系統芯片設計主要體現在統一改變的并行計算ISA模型上，即DLP計算與ILP計算統一后的雙指令格式的ISA模型上。 APU系統芯片的應用需求：精度(字長(cháng))、速度(主頻，陣列大小)、存儲容量、可靠性與功耗等是ISA設計的先導，來(lái)源于隨應用演變的數學(xué)技術(shù)，因此，需要為系統設計者提供ISA設計的平臺。在A(yíng)PU系統芯片的統一語(yǔ)言的支持下，ISA設計平臺也是可以統一的，使它成為不同應用領(lǐng)域的系統設計者的協(xié)作工具。 參考文獻： [1]Shen X B.Evolution of MPP SoC architecture techniques, Sci China Ser F-lnf Sci.2008,51(6):756-764 [2]Johns C R, Brokenshire D A.Introduction to the Cell Broadband Engine Architecture. 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