軟件工程師們一直非常依賴摩爾定律來提高半導(dǎo)體的處理能力，但不斷增加的MIPS現(xiàn)在已經(jīng)接近尾聲。半導(dǎo)體工業(yè)面臨什么問題，軟件工程師為什么不能依賴于減少指令周期，軟件應(yīng)該如何適應(yīng)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的變化？

為什么摩爾定律會(huì)結(jié)束？

自從第一個(gè)晶體管問世以來，每?jī)赡暝谝粋€(gè)芯片上增加一倍晶體管數(shù)量的能力基本上決定了電子技術(shù)的能力。這種效應(yīng)被稱為摩爾定律，它極大地成就了CPU行業(yè)，每次CPU迭代都包含更多的晶體管，從而提高了CPU的性能。同時(shí)，還觀察到另一個(gè)影響：隨著半導(dǎo)體技術(shù)的改進(jìn)，CPU時(shí)鐘頻率也提高了。時(shí)鐘速率的提高對(duì)于每秒提供指令是必不可少的，正是這種影響使軟件得到了重大改進(jìn)。

然而，縮小晶體管尺寸正變得越來越困難，而且很快就幾乎不可能了。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，期望晶體管密度增加以提供更高性能的設(shè)計(jì)人員將面臨困難，并將不得不尋找提高性能的替代方法。但是，當(dāng)前的半導(dǎo)體技術(shù)面臨的第二個(gè)問題是，它已經(jīng)以最快的速度運(yùn)行。當(dāng)CPU的頻率從100MHz增加到200MHz時(shí)，每秒可執(zhí)行的指令數(shù)加倍。每秒執(zhí)行兩倍指令的能力允許CPU同時(shí)運(yùn)行兩個(gè)相同的任務(wù)，或者一個(gè)任務(wù)的速度提高一倍，從而提高性能。然而，在過去的十年里，消費(fèi)者的CPU速度一直未能突破5GHz的界限，只有使用先進(jìn)的液氮冷卻系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)8GHz。因此，計(jì)算機(jī)性能的提高來自于其他方法，如集成多核、加速內(nèi)存?zhèn)鬏敗④浖剔D(zhuǎn)移到專門的硬件加速器中。

隨著時(shí)間的推移，軟件是如何改進(jìn)的？

隨著時(shí)間的推移，軟件在提供更好的特性和功能（如圖形渲染）方面有了很大的改進(jìn)，但軟件主要依賴于對(duì)硬件的改進(jìn)。例如，求解復(fù)雜矩陣計(jì)算的能力一直是眾所周知的，而且從第一臺(tái)計(jì)算機(jī)開始，用軟件編寫這種計(jì)算方法是可行的。然而，硬件（如硬件乘法器和矩陣求解器）的改進(jìn)使現(xiàn)代應(yīng)用程序能夠快速解決這些問題，而不是更好的編寫軟件的方法。

當(dāng)考慮操作系統(tǒng)時(shí)，令人驚訝的是，盡管一臺(tái)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的內(nèi)核數(shù)量是20年前的8倍，RAM是16倍，但啟動(dòng)Windows7的時(shí)間卻比WindowsXP長(zhǎng)。誠(chéng)然，這可能與現(xiàn)代操作系統(tǒng)加載大量進(jìn)程和后臺(tái)服務(wù)有關(guān)。更多的內(nèi)核允許更多的進(jìn)程同時(shí)運(yùn)行，但是更多的內(nèi)核不能更快地執(zhí)行單個(gè)指令。

因此，要說軟件已經(jīng)改進(jìn)是一種延伸，因?yàn)殡m然現(xiàn)在可以使用功能豐富的應(yīng)用程序，但這些功能中的大多數(shù)都是由性能更好的硬件造成的。

半導(dǎo)體硬件如何適應(yīng)這種變化？

由于減小晶體管的尺寸越來越少，半導(dǎo)體有多種途徑可供選擇。一種方法是制造3D芯片，允許晶體管的多層結(jié)構(gòu)增加晶體管的數(shù)量，從而增加核心的數(shù)量。然而，如前所述，僅僅增加更多的核心并不能改善每個(gè)周期的指令。

例如，軟件乘法涉及到重復(fù)地將兩個(gè)數(shù)字相加在一起，每次加法都要消耗一個(gè)指令周期。相反，硬件乘法器可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)將兩個(gè)數(shù)字相乘，從而提高性能。硬件加速器的另一個(gè)例子是加密加速器，它可以比軟件例程更快地執(zhí)行加密任務(wù)，如AES和密鑰生成。

軟件需要做什么？

為了提高軟件性能，首要任務(wù)是充分利用硬件加速。在處理通用編譯器時(shí)，這可能是一個(gè)問題，因?yàn)樗鼈兛赡苁褂密浖潭皇遣渴鹩布獭Ｈ欢词管浖こ處熓褂糜布铀倨鳎?dāng)試圖瞄準(zhǔn)盡可能多的平臺(tái)時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致問題；并非所有的cpu都支持相同的硬件加速功能。智能的軟件系統(tǒng)（如操作系統(tǒng)）可以檢測(cè)到支持的硬件，從而根據(jù)機(jī)器調(diào)整其性能，但是用戶應(yīng)用程序很難將這些功能集成到其中。為微控制器編寫高效的代碼要容易得多，而且這樣的系統(tǒng)很少有特權(quán)機(jī)制。即使是這樣，程序員也很有可能訪問特權(quán)區(qū)域，從而最大限度地利用硬件加速器。

總的來說，為了讓軟件有助于對(duì)抗摩爾定律，軟件工程師和操作系統(tǒng)開發(fā)人員都需要重新思考軟件是如何運(yùn)行的。操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)者首先需要明白，運(yùn)行100個(gè)后臺(tái)服務(wù)可能不是最好的，創(chuàng)建一個(gè)向后兼容DOS應(yīng)用程序的操作系統(tǒng)意味著底層架構(gòu)必須是古老的。軟件工程師可能需要開始考慮他們所用的語言，該語言是如何執(zhí)行/解釋的，以及他們是否可以使用硬件加速器。
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