项目名称：延长摩尔定律的微处理芯片新原理、新结构与新方法研究首席科学家：李国杰中国科学院计算技术研究所唐志敏中国科学院计算技术研究所起止年限：2005-12-1依托部门：中国科学院一、研究内容技术和应用两个方面对未来的高性能处理芯片提出的要求可以概括为“两高两低”，即高效能、高可靠、低功耗、低成本。为了达到这样的目标，需要解决下列关键科学问题：1.信息处理效率与信息处理系统的复杂度之间有什么样的关系？改进处理芯片体系结构和相应软件系统的工作一直具有试探性和盲目性，缺乏有效的指导依据，导致尽管软硬件的复杂度都大大增加了，却没有带来与此相称的性能和功能回报。图灵机作为一种公认的计算模型，只界定了哪些问题是可计算的，它并不关心计算的效率；基于与冯结构对应的RAM模型，已发展了较完备的关于计算的时间和空间复杂性分析理论，虽能有效地指导算法的设计，却不能有效地指导信息处理系统体系结构的设计。在结构设计方面，目前沿用的指导性原则只有1969年发表的Amdahl定律（它指出应该加快系统中使用频率最高的那些部件），以及在此基础上形成的基于工作负荷的定量分析方法（当面向多种负荷时，往往用几何平均进行折衷）。这是远远不够的，尤其是当评价一个处理芯片或系统的指标已经从单一的“高性能”转向多方面的“高效能”的时候（后者除了包含针对多种应用的“高性能”特点外，还包括高可靠、低能耗、易使用、低成本等因素）。所以，应当探索新的原理，来指导体系结构设计，避免与效率脱节的复杂性，就像卡诺定理为热机的设计提供了明确的指导一样。按照传统的高性能处理芯片的设计方法，为了满足多种应用的需要，往往把功能设计得面面俱到，许多逻辑忙碌地工作却不产生积极的效果，导致很高的成本和功耗。为此，需要在新原理的指导下，研究创新的高效能处理芯片体系结构，使芯片的结构能够按照应用的要求进行自组织，以有效地利用片上的晶体管资源，动态适应不同的应用需求，从而达到降低成本和功耗的目的。2.信息处理效率与信息处理过程需要消耗的能量之间有什么样的关系？总体上看，目前我们采用的信息处理过程是一个不确定性逐步减少的过程，即一个熵不断减少的过程，因此肯定是要消耗能量的。但这个能量的下界是很低的（冯诺意曼曾指出，一个基本二进位操作需要消耗的最少能量是kTln2，其中k是波尔兹曼常数，T是绝对温度，在室温下这相当于310-21焦尔）。目前的处理芯片在消耗能量方面远远超过这个下界...
