冯·诺依曼瓶颈下计算机体系结构的创新
电子技术应用 11期
吕启闻1，陈泽乾1，2，张曦月3，周朋1，张鲁峰1，于春霖1，3，陈钦3，叶涛4，李璇1
（1.中国长城科技集团股份有限公司 中国长城研究院， 广东 深圳 518057；2.中南大学 计算机学院， 湖南 长沙 410083； 3.中国电子信息产业集团有限公司 科技发展部， 广东 深圳 518057；4.南方科技大学 工学院， 广东 深圳 518055）
摘要： 在计算机体系结构的发展过程中，冯·诺依曼架构无疑是最为传统且主流的架构之一。为了追求更加高速的计算效率，人们在冯·诺依曼架构的基础上不断做出优化，直至达到其发展瓶颈。从传统冯·诺依曼架构出发，分析了该架构固有的局限性，并列举了针对这些局限性所作出的基本改良措施。然后具体介绍了存算一体、数据流计算等在冯·诺依曼架构上进行创新的多种技术手段。最后简述了突破原始电子计算机物理材料体系的其他非冯·诺依曼架构的发展历程，例如类脑计算机和量子计算机等，并展望了现代计算机体系结构的发展前景与方向。
中圖分類號：TP303
文獻標志碼：A
DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.233839
引用格式： 呂啟聞，陳澤乾，張曦月，等. 馮·諾依曼瓶頸下計算機體系結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新[J]. 電子技術(shù)應用，2023，49(11)：28-34.
文獻標志碼：A
DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.233839
引用格式： 呂啟聞，陳澤乾，張曦月，等. 馮·諾依曼瓶頸下計算機體系結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新[J]. 電子技術(shù)應用，2023，49(11)：28-34.
Innovation of computer architecture under the bottleneck of von Neuman
Lv Qiwen1，Chen Zeqian1，2，Zhang Xiyue3，Zhou Peng1，Zhang Lufeng1，Yu Chunlin1，3，Chen Qin3，Ye Tao4，Li Xuan1
(1.China Great Wall Research Institute， China Great Wall Technology Group Co.， Ltd， Shenzhen 518057， China；2.College of Computing， Central South University， Changsha 410083， China；3.Science and Technology Development Department， China Electronics Corporation， Shenzhen 518057， China；4.College of Engineering， Southern University of Science and Technology， Shenzhen 518055， China)
Abstract： In the development of computer architecture, the von Neumann architecture is undoubtedly one of the most traditional and mainstream architectures. In order to pursue higher-speed computing efficiency, people continue to make optimizations on the basis of the von Neumann architecture until it reaches its development bottleneck. Starting from the traditional von Neumann architecture, this paper analyzes the inherent limitations of the architecture, and lists the basic improvement measures for these limitations. Then it specifically introduces a variety of technical means for innovation on the von Neumann architecture, such as the computing in memory, and data flow calculation. Finally, the development process of other non-von Neumann architectures that break through the original electronic computer physical material system, such as brain-inspired computer and quantum computer, is briefly described, and the development prospects and directions of modern computer architectures are prospected.
Key words : architecture；von Neumann bottleneck；data flow computers；non-von Neumann architecture
【引言】
電子計算機自問世以來經(jīng)過80余年的持續(xù)探索與發(fā)展[1]，逐漸成為當今世界人類工作和生活中不可或缺的部分，推動了各行各業(yè)和社會的發(fā)展，是人類歷史上最偉大的發(fā)明之一。電子計算機發(fā)展到現(xiàn)在以來所遵循的基本結(jié)構(gòu)為傳統(tǒng)的馮·諾依曼架構(gòu)[2]。隨著人工智能等高新技術(shù)的快速發(fā)展與應用，傳統(tǒng)馮·諾依曼架構(gòu)由于其固有缺陷，已難以適應與處理對算力要求極高的任務，電子計算機架構(gòu)的創(chuàng)新與突破成為了亟待解決的重要問題。本文將深入探討到目前為止，為解決傳統(tǒng)馮·諾依曼架構(gòu)的缺陷所采取的思路與解決方案。
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【作者信息】
呂啟聞1，陳澤乾1，2，張曦月3，周朋1，張魯峰1，于春霖1，3，陳欽3，葉濤4，李璇1
（1.中國長城科技集團股份有限公司 中國長城研究院， 廣東 深圳 518057；2.中南大學 計算機學院， 湖南 長沙 410083；
3.中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團有限公司 科技發(fā)展部， 廣東 深圳 518057；4.南方科技大學 工學院， 廣東 深圳 518055）
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