在科研界有一句话，叫“站在巨人的肩膀上”。在人类知识积累的过程中，这句话是真理。但这句话用的不是地方，也会产生运用不当的谬误，这就叫“具体问题，具体分析”。在目前的这场计算机新技术革命的机遇与挑战中，过分强调计算机已有的理论和方法，忘记了计算机发展的暂短历史，忘记了从深层次去分析“为什么计算机技术目前会遇到这么多不能逾越的障碍”，你就永远不能实际地进入这场计算机新技术革命之中。

 

确实，计算机短短六十多年的历史，无与伦比地展示了计算机科学的创造力，它为整个人类的生活开创了全新的天地。然而计算机的发展毕竟还处在上升期，虽然已经取得了很大的成就，但，问题终归是问题。

 

从计算机发展的过程看，这项科学技术从一开始就紧密地与商业应用捆绑在一起了。由于计算机不是仅仅谈论理论的科学，而是要实际地造出计算机投入使用。计算机的实现，需要应用到电子器件，因而就需要强大的经济后盾的支持。所以开始不久，这项科学技术发明的发展，就染上了“急功近利”的色彩。由于上个世纪六七十年代，电子技术产品价格昂贵，因而生产计算机投资巨大，自然计算机也是“凤毛羚角”。这使多用户，多任务计算机，成为了设计研究的重要方向。如何能够让一台计算机同时完成更多的任务，自然而然地成了计算机科学家研究的重要课题。

 

在计算机多任务研究中，投入较少的软件方法获得了成功。人们引入了“进程”和“并发执行”的概念，让一个原本只能顺序执行任务的计算机，实现了多任务交叉进行，做到了多任务的均衡完成。这种技术使软件产业获得了巨大的成功，八十年代出现的“微软”就是其中的佼佼者。

 

单处理器多任务计算机，将人们引进了用软件方法实现程序运行调度的方向。一个时期，纯软件管理计算机的方法获得了巨大的成功，出现了“操作系统”。此后，在计算机的理论方法中，将操作系统设计成包裹“裸机”，使用计算机就必须通过它的东西。因而，在计算机的层次结构理论中，将操作系统列为了使用计算机必须通过的一层。实际上，这种理论上的必然，很快就被打破了。一些大型的数据库系统设计中，已经绕过了操作系统，直接深入到硬件层面。但是，由于操作系统的厂家，设计了许多供人们使用的应用程序，并且将这些应用程序捆绑在他们的软件产品中，这就完全造成了“没有操作系统计算机就不能工作”的假象。

 

随着处理器频率提升最终受到“热效应”的限制，单芯片多处理器技术时代来临了。正如哲学辩证法的“否定之否定规律”所揭示的那样，一个否定操作系统全面管理计算机的时代来临了。如今，逻辑电路的设计方法也发生了重大的变化，连设备驱动程序一类的东西，都可以用硬件设计的方法实现，这说明计算机应用越来越贴近了计算机硬件，对计算机的应用，完全可以用更直接，效率更高的方法进行。

 

多处理器计算机中，操作系统带来的负面作用是什么？其实，多处理器计算机并不是现在才有的，以往的大型计算机就采用了多处理器结构，例如，IBM的370等。比较成功的并行计算机的结构，叫对称并行计算机SMP。 SMP靠操作系统管理整机的资源和程序任务分配，结果造成了系统的瓶颈。因而SMP的处理器数量受到了限制，当处理器的数量超过某一个数时，计算机系统的效率不但不能提高，反而下降。因此，SMP长时间没有长足的发展。如今，操作系统的瓶颈现象越发明显。

 

个人计算机的出现，极大地减少了多用户计算机的生产，特别是计算机网络诞生之后，人们发现，网络的方法不但能够实现远距离协同完成任务，而且也可以近距离地用多台计算机，协同完成复杂的任务，从而提高任务完成的效率。在这种网络思想的发挥，产生了“高性能计算机”，现在将这种网络思想发挥到极致的是“片上网络”。所谓的多核技术，目前正沿用着片上网络的方法在研究中。这种方法正被国外的计算机界所大力吹捧。严格地说，片上网络和片上多处理器CMP不能等同为一个概念，因为处理器+存储器+程序运行设备，这三者才能统称为“核”，因此核与核间的互联，一定要通过类似网络数据传输的方法进行合作，这就是被称为多核的原因。多核必然要包含多个处理器，因而片上多核可以看成CMP的一种。

 

片上多处理器CMP技术的到来，对计算机系统的运作提出了更高的要求。由于多个处理器和存储设备等，同处在一个方寸的芯片中，极大地拉近了设备之间的距离，使许多网络中必须采用的异步传输方式，可以采用同步传输的方法进行了。这在多处理器协同工作的结构和数据交换方式上，必然产生前所未有的变革。例如，过去的那种固定总线结构的处理器、存储器、程序运行设备的连接方式，可以用线路开关实现关系总线的动态连接方式所替代，处理器对存储器的共享，完全可以变成多存储器的动态共享，而不用再像网络那样，需要通过线路数据传输，来完成两个存储器之间的数据转移。存储器对处理器的动态交换方式的数据转移，效率之高，是任何线路传输方式所无法比拟的。

 

处理器对存储程序的存储器和执行环境的动态转移，在芯片上完全可以通过及时地线路切换完成，并且这种切换的实施，完全可以跟得上处理器和存储器的运行速度。因而可以用简单的计算机指令来指挥控制，这是任何片外线路结构所无法完成的。现代超大规模集成电路技术，提供了非常充足的芯片内部线路资源，因而在芯片内部实现关系总线结构是轻而易举的事情。这对于片外结构的器件连接方式，是难以想象的事情。

 

目前，采用网络结构的片上多核，毫无例外地难以解决“让每一个核都能充分工作”的问题。因为路由操作，任务分配等一系列问题，不能够高速高层控制，只能够通过软件的方法，通过协议解析等异步方式传递数据和指令数据来解决。这种方法，相比直接的总线数据流动方式，不知要缓慢多少倍。因而，要解决片上多处理器充分工作的问题，必须充分考虑片上结构的特点，设计出适应片上结构的计算机核心部件，才能彻底实现片上多处理器CMP的时代要求。

 

并行编程墙、存储墙、功耗墙等一系列事实，已经清楚地告诉了我们，单处理器计算机所使用的软件管理方法，对多处理器计算机来说，有许多不适用，需要我们去从根源上去寻求适应CMP的新理论和新方法。

 

片上多核或多处理器的设计，要求大家必须从头审视以往的理论和方法，不管我们是否愿意，是否舍不得已经取得的成就。在这一点上，先进的国外计算机界比我们要痛，他们失去的不仅是理论上的领导地位，而更重要的是会有可能失去利益丰厚的市场收益。但这对于我们这样一个计算机产业落后的国家来说，恰是千载难逢的良机。我们终于有机会和那些计算机强国，在计算机科学领域一拼高下了。不要怕有人说我们是“小儿科”，任何一项复杂高深的科学技术，都是从最简单的问题和方法开始的。

 

在人人平等的EDA技术和可编程器件FPGA面前，CMP技术理论的发展，一定是在全世界的勇敢者的“智力大比拼”中前进。对计算机界的人才来说，现在没有落后国家和先进国家之差，因为过去先进的国家也不得不与你站在同一个起跑线上。现在的问题是看谁能够率先拿出良谋捷策，谁就可以获得最现实的胜利。

 

2009-12-2