关键性|工程院院士孙凝晖：计算机系统的演进规律，从求极致到求通用

在概念性上的图灵机模型：提出了能够自动执行程序的通用计算装置的科学原理。
在关键性上的冯诺依曼体系结构：为图灵机的实现提供了一个通用的体系结构——所有计算机分为输入设备、存储器、运算器、输出设备5个部分；采用存储程序方式，将指令和数据存储于同一存储器。
在共同性上的肖克莱晶体管：能够实现计算机的数学基础布尔代数的开关器件。

从历史的发展中，我们可以看出，如果工程技术仅仅是一个无限的经验积累，大概会止步于机械计算工具的巅峰，也就是图灵甜点机。
第二条曲线，从超级计算机到高性能计算机时代。
我们经常会混淆这两个概念，想一想我们为什么会发明两个名词来说明一件事，可能就是对于计算工具，我们永远希望它的计算速度越快越好。在历史上，高性能计算装置可以简单分成三个时代：在 CRAY时代，通过部件的并行向量化来提高性能；在MPP时代，通过大规模并行和定制化组件，把机器性能做到极致；在机群时代，利用三大规律把一个高端的装置变成通用的计算部件。
这些过程是如何发生的？一个极致的计算装置如何变成一个通用的计算装备呢？

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从概念性、关键性和共同性三个方面来讲，我们认为应该有以下三点变化：

在概念性方面，要有一个牵引型的目标，也就是评价标准从求最大极值转变为最大积分；
在关键性方面，机群架构应该是松散耦合结构+标准化的部件；
在共同性方面，性能工程要采用通用结构，并达到极致性能。

我们超级计算机一般以单一的极限指标作为评价指标，任何一台计算机，先设计一个目标，谁的性能更高，谁的技术就更强。在历史上有很多这样的指标，比如LINPACK（1993）、Graph500（2010）、Green500（2013）、HPCG（2014）、HPL-AI（2019）。追求这些单一指标的“极值”显然不是求通用的一个驱动力。超算追求的是计算能力，也就是求一个点的“极值”，让所有指标在访存计算比和饱和性能的二维结构里，一条线达到最高。但真正的通用，是需要反映非常多的计算和访存特性的，所以光一个点求最高是不够的。那么，如果要造一个通用的容量计算系统，从线到面，我们就需要一个类似于“积分最大”的系统，高效支撑多种应用。这是第一个变化。
第二个变化体现在关键性，也就是机群结构。机群结构需要有三个的基本条件，第一是结构是松散耦合的；第二是每个组件要可标准化。如果部件是定制化的，可能不能适应通用的应用场景；第三是高性能计算的要求，如果采用标准的组件一般不太容易建构出高性能的系统，所以还要有一系列性能可拓展的方法。三者加起来才能做到通用高性能计算机。时间关系，我们简述一下标准化的几个关键点。第一个是“造”标准化，把机群基础软硬件货架化，包括软件标准化、硬件标准化、互联标准化；第二个是“送”标准化，让用户可以“容易”获取算力；第三个是“用”的标准化，通过屏蔽不同层次的细节实现“用” 的目标。
一般来讲，从基础库和函数抽象，再到框架/领域编程方法来实现标准化，会带来所谓的“软件肿胀”，性能损失非常大，所以我们需要通过性能工程来获取一个极致的性能，这也就是刚才提到的第三个变化。到目前，通用结构获取极致性能的调优方法经历了三个阶段。早年使用的是单一模型方法，由图灵奖得主Fra Allen在2006年提出的性能优化模型。后来随着负载特征变得更加复杂，美国工程院院士Jack Dongarra设计出了软件工程方法。而目前采用的多是智能调优技术，以应对更加碎片化的负载特征。

计算机系统的未来趋势

首先讲一下通用计算系统，也就是计算系统如何变得“更通用”？我们认为主要是要形成“平台型计算装置”。计算机系统存在一个通用趋势或规律，我们称之为“X as a Computer”，就是每隔10年就会出现一类新的计算机系统，包括新的编程平台、新的网络连接，新的用户接口，新的使用方式。它们更廉价，应用范围更广泛，形成了新的平台型通用计算机装置。
如果我们把过去60年形成的规律加以总结，大致可以分成三个时代。
首先是IT 1.0 时代，我们把专用计算装置变成了高性能计算机（Calculator as a Computer，CaaC），服务国家部门实现了信息化；把专用的制表装置变成了一个通用服务器（Tabulator as a Computer，TaaC），实现了企业的信息化升级。

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