构建新一代计算机体系结构的设想（《金融电脑》2016年第三期）.pdf

Conception for creating a new generation of the computer archetectur
半个世纪前冯·诺依曼提出的计算机体系结构着实推动了计算机技术的飞速
发展，但随着现代技术的不断创新，我们已经到了突破冯·诺依曼体系结构的时
候了。尽管计算机处理器的性能按摩尔定律以每 18 个月翻一番的速度提高（包
括存储器单位容量的提高），但仍不能满足应用的需要，人们还在抱怨计算机运
转速度太慢。器件性能不可能无限制提高，仅靠器件性能提升的方式提高计算机
的性能已不能适应现代人们的需求了。为了满足现实需要，应该彻底调整计算机
的基础架构，推出具有高效性能水平、合乎处理逻辑的架构体系。因此，我们需
要对冯·诺依曼体系进行彻底的的变革。
·诺依曼体系的弱点
单处理器结构，即所谓中央处理器结构。指令的运行、数据的传输、运算器、
存储器、输入输出设备的操作和控制都要经过中央处理器，这个问题已成为提高
计算机运算速度的瓶颈。
通道概念。一个整体被人为分成多个部件，由通道加以贯通，这会带来数据
传输的迟延和拥挤。
顺序指令概念。不管计算机性能有多高，在某一个瞬间，计算机只能做一件
事。即使号称多核 CPU 能进行多任务处理，但由于顺序指令结构，计算机也只能
一步（一个脉冲）完成一个动作。
内外存储器概念。这虽不是当初冯·诺依曼体系中的概念，却成为当今计算
机系统必备的结构。外存储器发展提升的速度远远跟不上 CPU 的发展速度，这也
成为当今计算机应用发展的极大障碍。

当今自然界最聪明、效率最高的处理器应该是人的大脑，它由无数神经元和
神经纤维组成，它没有控制整个大脑的单一神经元，其记忆存储、控制感知和支
配动作都由各个神经元和神经纤维完成。借鉴人脑处理模式，新一代计算机核心
体系将打破单一处理器、集中处理的架构。
新一代计算机内应该有无数个处理器。这里提到的无数个是指在理论上无限
多，没有上限。随着技术的发展，这个数量在逐步增多，在初始开发阶段，应该
接近 K 级；这里提到的处理器应该既具有当初 CPU 的一些基本功能，但绝不是现
代 CPU 的翻版。
新一代计算机的无数个处理器可分为以下几类：通用处理器、专用处理器和
自适应处理器。这些处理器逐渐由时钟（脉冲）控制型转变成指令触发型，处理
器的速度已不能成为其提高性能的根本动力，处理器本身的寄存器逐步与内存储
器化为一体，字长也不再是衡量处理器的关键指标。
通用处理器。通用处理器占处理器的绝大多数，它们将和内存化为一体。高
速缓存将既是新一代计算机的内存也是通用处理器的寄存器。新一代计算机内部
架构与现在的内存架构有些相似，机器内部核心布满了带有大规模缓存的通用处
理器，没有了区分处理器和内存概念的实体器件，因此也就没有原来的通道概念，
取而代之的是缓存的网状链接。存储器的数据转移不再通过总线完成，而主要通
过芯片或通过大规模集成的板来传输。每个处理器按址形成编号。通用处理器也
不必像现在的 CPU 那么复杂，能实现识别简单指令、数据逻辑转换、按址取送数
据等功能即可。