从两“Hot”会看计算机发展新趋势
国家智能计算机研究开发中心
李国杰 院士
“Hot Chip”和“Hot Interconnects”国际会议每年8月在美国斯坦福大学召开。有别于其他的国际学术会议，这两个会议的发言者多半是国外著名计算机与网络公司的负责人或主要设计师。会议参加者也多数来自公司。从这两个会议可以了解到微处理机芯片与互连网络的发展动向。国家863计划智能机专家组从93年起每年都派人参加这两个会议，这对于我们掌握国际上计算机与通信技术及产品发展趋势十分必要。
今年是Hot Chip第七次年会，Hot Interconnects第三次年会，参加这两个会议的学者共有1200多人，其中参加Hot Chip会议较多(900多人)，Intel公司的创始人之一G.Moore总裁和AT&T的副总裁S.Fraser分别在两个会议的开幕式上做了主发言(Keynote Address)。Moore的报告题为“Nanometers and Gigabucks”，着重分析了VLSI器件研制生产的发展趋势与开发新CPU芯片需要的巨大投入，Fraser的报告题为“Future Prospects for Wide Area Telecommunication”，重点展望了ATM技术的发展前景并阐述了必须解决的关键技术。
Hot Interconnects会议(8月10日～8月12日)的Tutorial内容为：
(1) High Speed Wireless Infrared Communications；
(2) Interconnecting Distributed Objects；
(3) LAN Emulation and IP over ATM；
(4) MPEG over ATM
正式会议的内容包括：
(1) 提供电话、录像、数字等服务的混合网络；
(2) 多媒体服务器
(3) 无线通信网络
(4) 网络性能测试
(5) 可扩展一致性标准接口(SCI)的实现
(6) 网络计算机技术
(7) 计算机互连接口技术
Hot Chip会议(8月13日～8月15日)的主要内容包括：
(1) 嵌入式处理机(AMD 29K， NS486， LSI Logic的CW4010)
(2) X86处理机(P6， AMDK5, Cyrix M1等)
(3) RISC处理机(SUN 的 Ultra SPARC1， HP的PA8000,Power PC及SGI的R10000等)
(4) MPEG芯片
(5) 图形与压缩芯片
(6) 具有向量和并行处理功能的处理机芯片
在会议中有一场关于其他处理机芯片能否在与Intel X86系列芯片竞争中取胜的有趣的大辩论。两个会议开得紧张有序，晚上与周末都安排了会议活动。
从Hot Chip 和 Hot Interconnects会议上国外大公司与著名学校关心的热点问题可以看出计算技术与产品今后3～5年内的发展趋势。
1. Intel X 86系列的主流地位与RISC芯片的崛起
Intel公司94年销售额达116.8亿美元，独占微处理机芯片市场80%以上，全球基于X86系列芯片的PC机已有一亿台以上。数万种PC机应用软件总值超过500亿美元，这一庞大的应用软件基础使得在RISC芯片的严重挑战下，Intel的X86系列芯片仍然占有计算机行业的主流地位。这次会上多数专家认为今后三年内X86系列的主流地位难以动摇。计算机行业的权威人士G.Bell根据市场前景预测，给目前流行的几种处理机芯片排了一个座次如下：
①X86， ②Power PC, ③MIPS的R系列， ④SPARC， ⑤HPRISC， ⑥Alpha
大多数与会产业界人士与学者同意这一排序。值得一提的是采用MIPS芯片(R8000)的SGI公司不仅在图形工作站上十分成功，而且目前已成全世界超级计算机销售量最大的公司，全世界已安装的高性能计算机中，前500名内有100多套是SGI的Power Challenge多处理机。
在Hot Chips会议中举行一次长达两个多小时的大型讨论会，讨论的题目是“Is there a role for competing architectures in an X86 World?”， 也有人更直接的讨论“Will the X86 Architecture Eat the World?”， 如果要求竞争的RISC芯片至少占领20%以上的桌上计算机市场并拥有类似X86一样丰富的软件，可以肯定目前还没有这样的角色。从整数计算性能来看100MHz的Power PC与120MHz的Pentium接近(140 Specint)，而且Intel 的新产品P6采用了每周期执行4条指令的Super Scalar技术及14级流水线的SuperPipelining技术，并且采用分布式的时钟控制，片内时钟延迟(Skew)小于250PS，主频有可能提高到266MHz以上。原来预期133MHz的P6产品实际上已达到150MHz。通过Intel公司的努力，X86在性能价格比的劣势似乎略有改善。但是与会的专家并不承认有一个X86世界，因为未来的PC不同于今天的PC，其他的市场将会比PC市场更大。新的市场主要是计算机游戏；多媒体电视接收机(Set Top Boxs)，数字电视，打印机，个人数字助理等，在所有这些应用中，ISA兼容性不是必要要求，X86系列将失去其主流地位，而且缺乏竞争性。这也是Intel公司寻求与HP合作，偏离X86系列的原因。Motorola等生产RISC芯片的公司把希望寄托在未来以多媒体应用为主要特征的市场上。
尽管Intel、HP等不少厂家看好VLIW技术，认为Superscalar技术已快走到尽头，下一代的微处理机芯片主流技术应该是VLIW，但也有些公司认为VLIW技术有许多实现上的困难，需要非常大的高速缓存或非常快的主存，还需很强的编译支持，而且VLIW芯片必然与现有X86系列不兼容。实际上各家在研制新CPU芯片时大都综合了RISC和传统CICS技术，单靠一种技术难以有竞争力。
2. 图形及数据压缩芯片与嵌入式计算机芯片成为热点
计算机中央处理机(CPU)芯片的竞争势态已比较明朗，由于建立新CPU生产线的投资越来越大，有能力参与CPU芯片竞争的公司越来越少。据了解，HP公司都在考虑将其IC生产部门转移到Intel公司。在这次会上，Intel总裁Moore讲他们目前只考虑到0.18μ工艺(到2001年)，0.18μ以下究竞如何现在还看不清楚。另一方面，市场的需求，特别是多媒体应用，对图形、图像、声音处理、数据压缩等提出了更高的实时要求。MPEG芯片，3D图形，数字信号处理(DSP)，嵌入式处理机芯片等成为各家公司角逐的焦点。在本次会议中论及未来信息产业时，不时听到两个新词 “Infotainment”和“Compressionism”，这也反映了这一发展趋势。
这次会上，IBM的IFrame压缩编码芯片，日本NTT公司研制的MPEG 2芯片组(2片)，最近崛起的S3公司的单片MPEG 1芯片，日本富士通公司的三维图形芯片组(3片)和SUN公司研制的支持多媒体的Ultra SPARC 1受到普遍关注。UC Berkeley等许多大学也正在研制具有向量DSP功能的CPU芯片。国外对这类芯片的重视预示着目前流行的各种图形加速卡与解压缩卡等很快将被相应的芯片取代。这对于以微机板卡为主要产品的厂家构成严重威胁。
嵌入式计算机芯片是国外计算机企业关心的另一热点，不少厂家正在开发低成本的不包括浮点功能的X86系列，Power PC或MIPS芯片，这类芯片多数用于控制领域，这是值得我们特别重视的一个大市场。
3. SCI接口标准被大公司采用，SMP，MPP与NOW将殊途同归
高性能计算机主要采用对称式多处理机(SMP)，大规模并行处理(MPP)和工作站簇(Workstation cluster)或网络工作站(Network of Workstation)三种体系结构。分布式共享存储技术及网络/主机接口芯片的发展以及SCI标准的普遍采用，使这三种结构的界限越来越模糊，逐步趋向殊途同归。实际上MPP与SMP的主要区别在于是否有统一的地址空间，如果在MPP上实现了分布式共享存储，用户已感觉不到两者的区别。MPP与Workstation cluster的主要区别是后者通信延迟大，并行处理的粒度大，只要通信能力(主要是软件开销)提高到与MPP差不
多，两者就没有本质区别。SCI接口标准，既提供了解决共享高速缓存一致性的分布式共享主存解决方案，又保证了很小的通信延迟，因而有可能成为未来高性能计算机普遍采用的互连标准。
两年前召开的第一次Hot Interconnects会上，除了Convex公司外，各大公司都未表示对SCI的兴趣。这次会上IBM，SUN，Cray等大公司都介绍了他们采用SCI技术的新产品，Convex的SPP 1000是最先采用SCI的MPP计算机，挪威Dolphin公司CMOS SCI商品化芯片也在会上展示。专门讨论SCI的学术会议已开了两次。与两年前相比，SCI的“热度”明显提高。多数高性能计算机厂家都已着手发展以SCI为基础的并行机。
4. Internet成为计算机、电视、电话通信三个世界的连接通道
在Hot Interconnects会议中，计算机的权威Gordon Bell组织了一场关于交互式服务的大辩论，题目是“Interactive Service: who, what, when? RBOCs vs cable vs Internet.”
非对称的CATV服务与对称的电话服务如何结合是当前最受关注的焦点，如何在ATM网中提供IP与MPEG服务也是热门话题。网络上的流控制(Flow Control)和堵塞控制(Congestion control)成为主要的技术难关。计算机世界的数据通信、电视世界的图像信息、电话通信世界的语音信息将来通过Internet会连成一个世界。比WWW更方便的NetScape网络服务软件风糜全球。在本次会议期间，成立不久的NetScape公司股票上市，第三天股票就要炒到70多美元一股，创下公司股票上市的一个奇迹，由此可以看出公众对Internet的期望。
根据计算机发展的新趋势，863计划及国家有关部门应考虑相应的对策，我的初步建议如下：
1. 大规模集成电路产业投资巨大，95年世界半导体行业总投资为348亿美元，预计到99年将达到477亿美元。0.25μ的CPU生产线投资已达到十几亿美元以上。我国准备投入100多亿人民币建IC生产线，这对发展我国电子工业意义重大。问题是上什么样的生产线，国外对出口CPU生产线设备控制严，我国在主流CPU芯片方面设计基础较差，如果上一条生产线生产X86的兼容芯片，成功可能性很小。走韩国、台湾道路，上DRAM生产线，只要能引进先进的设备，生产16Mb DRAM，到本世纪末还有市场(最近一两年4Mb DRAM还是主要产品)。DRAM一直供不应求，只要有条件，尽快上DRAM有可能成功。但根据最新发展趋势，更可行的道路是生产数字信号处理芯片，支持多媒体应用的图形(特别是三维图形)、图像处理芯片、语音处理芯片、数据压缩芯片、嵌入式计算机芯片(主要是通信与自动控制领域)，因为这一类芯片目前还是“春秋战国”时期，没有形成一家独霸天下的局面，而且市场潜力很大。更重要的是这种芯片的性能不完全取决于工艺水平，与算法关系极大，基于高效率的算法在0.8μ工艺下生产出的芯片可能比不高明的算法在0.5μ甚至0.25μ工艺下生产的芯片还好，目前国外这类芯片大多数是在0.5～0.6μ工艺下开发的，我们只要认真组织好力量，调动算法设计、逻辑设计与微电子等几个方面的力量，很有可能后来居上，杀出一条生路。
2. 外国人公认中国学者脑子灵，适合于研究创新的算法。但我国的软件教育重点在程序语言，程序设计，一直忽视算法设计教育，很少学校能开出高水平的算法课。国内的算法学术会议多数是从事数值分析的数学工作者参加，要在图形、语音、数据压缩等领域打翻身仗，必须优选一批有创新能力的计算机学者，研究新算法。MPEG等算法虽有国际标准，实现时提高性能的余地仍很大。这次在美国遇到一位学者采用我80年代提出的优化阵列设计原则和按位流水的思路，已设计了可在芯片中实现的DCT(离散余弦变换)算法，比现有算法要快30多倍。DCT是实现MPEG 2的核心。如果我们在这一类研究方面有所突破，有自己的专利与知识产权，微电子与计算机的发展都会有光明的前景。
3. 高性能计算机的研制可以不拘一格，不一定从板级做起，可以用高档微机或工作站为基本部件，我们做一个互连的设备和接口板(每机一个)，这样做出来的究竞是Cluster还是MPP关键看互连网的速度和数据经过接口的开销，反映在用户级的实际延迟上。只要能做到延迟在几十微秒以内，就与目前的MPP水平相当，这种做法成本低，研制周期短。按此思路形成的高性能计算机生产商将演变成与网络通信设备生产商类似，只提供Hub, Switch, Router，不提供结点机。所不同的只是高性能计算机厂商提供的Switch, Router, Interface速度快，软件开销低，通信延迟低1～2个数量级。这种思路的好处是只要Switch有足够余量，CPU升级时，通信设备与接口卡可以不换或很少改动就能使MPP升级。Dolphin是一家北欧的小公司，目前SUN等大公司都从该公司拿SCI芯片，我们已经研制成功曙光一号、曙光1000并行机，已掌握了并行处理的关键技术，完全有能力与Dolphin竞争，在SCI及高性能计算机的发展中做出点令世人瞩目的成绩。
4. 我国的计算机工业属于幼稚工业，正面与国外大公司竞争主流机市场难度很大。明智的做法应该是“放开大道占领两厢”，用我们掌握的计算机高技术解决通信、工控等领域的应用，首先在某些优选领域的嵌入式计算机应用方面打开市场，逐步扩大战果。04机走的是这条路，在工控等其他领域也可以走这条路。如果把嵌入式计算机当成计算机行业的“农村”阵地，那么我们应该走的取胜之路可能是以农村包围城市。
（1995年）