数字设计与计算机架构课程笔记

ETH Zürich 2023春季学期·第二讲：权衡、指标和设计心态

一、课程概述

1.1 课程目标

• 核心目标
  • 理解数字设计与计算机架构的基础原理，包括组合逻辑、时序逻辑、处理器微架构等，掌握硬件与软件接口设计，如指令集架构ISA、汇编语言编程。
  • 评估设计中的权衡，如性能、能效、成本等，并学会系统性调试，鼓励创新设计，探索新型内存技术、数据流架构等。

1.2 课程内容

• 模块划分
  • 基础设计：组合逻辑、时序逻辑、硬件描述语言（Verilog）。
  • 处理器架构：单周期/多周期/流水线微架构、乱序执行、超标量执行。
  • 存储技术：缓存层次、虚拟内存、多核缓存一致性。
  • 新兴范式：数据流架构、VLIW（超长指令字）、SIMD/GPU并行化。
  • 其他：计算机架构的现状、不同平台的设计目标和权衡、设计原则探讨。

二、核心概念与设计原则

2.1 权衡 (Tradeoffs)

• 定义：在互相冲突的设计目标间进行优先级决策。
• 关键权衡维度：

  维度	示例
  性能 vs 能效	高频CPU提升性能但增加功耗，如Intel Alder Lake的混合核心设计。
  灵活性 vs 效率	CPU通用性强但能效低，ASIC专用性强但灵活性差，如Google TPU。
  成本 vs 可靠性	冗余设计提高可靠性但增加成本，如航天级处理器。

2.2 指标 (Metrics)

• 性能指标：指令吞吐量（IPC）、时钟频率、延迟。
• 能效指标：每瓦特性能（TOPS/W）、动态功耗。
• 其他指标：面积（晶体管密度）、可扩展性（多核扩展效率）、用户体验（响应时间）。

2.3 设计原则 (Design Principles)

• 原则 vs 先例
  • 基于原则的设计：从基础物理/数学规律出发，如CMOS电路优化。
  • 基于先例的设计：沿用历史方案，如x86指令集兼容性。
• 跨领域启发
  • Santiago Calatrava（建筑师）：材料最优利用，类比芯片面积优化。
  • Frank Lloyd Wright（建筑师）：形式追随功能，如RISC指令集简化设计。

三、基础构建模块

3.1 晶体管与逻辑门

• 晶体管类型
  • nMOS：低电平导通，用于下拉网络。
  • pMOS：高电平导通，用于上拉网络。
• CMOS逻辑门
  • 结构：互补nMOS/pMOS组合，如NAND门由并联nMOS与串联pMOS构成。
  • 优势：静态功耗低、噪声容限高。

3.2 组合逻辑电路

• 功能规范
  • 输入到输出的纯逻辑函数，无记忆功能。
  • 标准形式：SOP（积之和）与POS（和之积）。
• 逻辑简化方法
  • 布尔代数：应用结合律、分配律等，如(A + A'B = A + B)。
  • Karnaugh图：通过相邻单元格合并最小项，如4变量K-map覆盖BCD增量函数。

3.3 组合逻辑构建块

四、现代架构挑战与平台

4.1 计算机架构的现状

• 面临挑战：数据密集型工作负载、新的（设备）技术、日益复杂的应用程序和系统。
• 数据的重要性：数据在现代计算中起关键作用，数据移动对性能和能源效率影响显著，数据搬运能耗远高于计算。
• 新颖概念：新的计算范式、新的加速器和系统、新的内存、存储系统、互连和设备。

4.2 数据驱动的设计

• 数据移动瓶颈解决方案：
  • 存内计算 (PIM)：三星Function-in-Memory DRAM直接在内存中处理数据。
  • 近内存计算：UPMEM引擎将处理器嵌入DRAM芯片。

4.3 处理器平台对比

五、新兴技术与趋势

5.1 新兴内存技术

• 存算一体技术：
  • ReRAM/CBRAM：非易失性内存，支持存内计算，如IBM的模拟AI加速器。
• 3D集成技术：
  • 晶圆级堆叠。

5.2 新型计算范式

• 数据流架构：按数据依赖关系动态调度指令，如Google的TPU v4。
• 量子计算：超导量子位与纠错码（当前课程未深入涉及）。

总结：本讲系统阐述了数字设计的核心构建模块（晶体管、逻辑门、组合逻辑）、权衡与指标方法论，以及现代架构的挑战（数据移动、异构计算）。通过结合经典设计原则与新兴技术（如PIM），为后续处理器设计与优化奠定基础。