[论文解读] Arch2030: A Vision of Computer Architecture Research over the Next 15 Years

Luís Ceze, Mark D. Hill+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 9, 2016

Cloud Computing and Resource Management被引用 24

一句话总结

Arch2030 提出了未来15年计算机体系结构研究的战略愿景，通过识别体系结构在应用工作负载与新兴器件技术之间发挥桥梁作用的跨领域机遇，应对摩尔定律和登纳德缩放定律的终结。该论文概述了硬件-软件协同设计、领域专用加速器和弹性系统等变革性研究方向，以在传统缩放趋势之外持续推动信息技术进步。

ABSTRACT

Application trends, device technologies and the architecture of systems drive progress in information technologies. However, the former engines of such progress - Moore's Law and Dennard Scaling - are rapidly reaching the point of diminishing returns. The time has come for the computing community to boldly confront a new challenge: how to secure a foundational future for information technology's continued progress. The computer architecture community engaged in several visioning exercises over the years. Five years ago, we released a white paper, 21st Century Computer Architecture, which influenced funding programs in both academia and industry. More recently, the IEEE Rebooting Computing Initiative explored the future of computing systems in the architecture, device, and circuit domains. This report stems from an effort to continue this dialogue, reach out to the applications and devices/circuits communities, and understand their trends and vision. We aim to identify opportunities where architecture research can bridge the gap between the application and device domains.

研究动机与目标

• 通过重新定义计算机体系结构的未来轨迹，应对摩尔定律和登纳德缩放定律带来的收益递减问题。
• 识别计算机体系结构可在应用工作负载与新兴器件/电路技术之间发挥桥梁作用的关键研究机遇。
• 促进计算生态系统内各领域——应用、体系结构、器件和电路——的协作，以确保信息技术的持续创新。
• 通过整合愿景研讨活动和社区反馈的见解，为学术界和产业界的资助与研究优先事项提供建议。
• 制定长期研究议程，以确保在传统缩放趋势之外，持续推动性能、效率和可靠性方面的进步。

提出的方法

• 开展涵盖应用、器件和电路社区的多利益相关方愿景研讨过程，以识别未来趋势与挑战。
• 综合以往愿景研讨活动的见解，包括《21世纪计算机体系结构白皮书》和IEEE重启计算计划。
• 聚焦于识别在缺乏持续晶体管缩放的情况下，能够释放性能和效率提升的体系结构创新。
• 强调协同设计方法，使应用工作负载与新兴硬件原原子及器件级能力相匹配。
• 提出一种基于其在计算系统中实现基础性进步潜力的体系结构研究方向评估框架。
• 突出系统级弹性、安全性和能效作为未来研究的核心主题，尤其是在异构和领域专用体系结构中。

实验结果

研究问题

• RQ1 计算机体系结构研究如何在摩尔定律和登纳德缩放定律终结后，持续推动性能和效率的进步？
• RQ2 为在真实世界应用中有效利用新兴器件和电路技术，需要哪些体系结构创新？
• RQ3 硬件-软件协同设计在多大程度上可以弥合应用工作负载与新型硬件原原子之间的差距？
• RQ4 在未来的计算机体系结构中，必须优先考虑哪些系统级特性——如弹性、安全性和能效？
• RQ5 计算机体系结构社区如何使其研究议程与产业界和学术界的资助优先事项保持一致，以确保长期影响？

主要发现

• 传统缩放的终结要求对计算机体系结构研究进行根本性重新思考，以持续推动信息技术进步。
• 体系结构创新必须越来越多地聚焦于与应用和器件技术的协同设计，以实现有意义的性能和效率提升。
• 领域专用加速器以及面向新兴工作负载（如机器学习和数据分析）的专用硬件，对未来发展至关重要。
• 弹性、安全性和能效不再是从属问题，而是未来系统设计的核心支柱。
• 从应用到器件的计算栈全链条协作，将对解决超越晶体管缩放的复杂挑战至关重要。
• Arch2030 所呈现的愿景已对学术界和产业界的资助项目产生影响，证明其在引导研究方向方面的实际影响力。