Progress in Computers
Prestige Lecture delivered to IEE, Cambridge, on
5 February 2004
Maurice Wilkes
Computer Laboratory
University of Cambridge
The first stored program computers began to work around 1950. The one we built in Cambridge, the EDSAC was first used in the summer of 1949.
These early experimental computers were built by people like myself with varying backgrounds. We all had extensive experience in electronic engineering and were confident that that experience would stand us in good stead. This proved true, although we had some new things to learn. The most important of these was that transients must be treated correctly; what would cause a harmless flash on the screen of a television set could lead to a serious error in a computer.
As far as computing circuits were concerned, we found ourselves with an embarass de richess. For example, we could use vacuum tube diodes for gates as we did in the EDSAC or pentodes with control signals on both grids, a system widely used elsewhere. This sort of choice persisted and the term families of logic came into use. Those who have worked in the computer field will remember TTL, ECL and CMOS. Of these, CMOS has now become dominant.
In those early years, the IEE was still dominated by power engineering and we had to fight a number of major battles in order to get radio engineering along with the rapidly developing subject of electronics⎯dubbed in the IEE light current electrical engineering⎯properly recognised as an activity in its own right. I remember that we had some difficulty in organising a conference because the power engineersrsquo; ways of doing things were not our ways. A minor source of irritation was that all IEE published papers were expected to start with a lengthy statement of earlier practice, something difficult to do when there was no earlier practice.
Consolidation in the 1960s
By the late 50s or early 1960s, the heroic pioneering stage was over and the computer field was starting up in real earnest. The number of computers in the world had increased and they were much more reliable than the very early ones . To those years we can ascribe the first steps in high level languages and the first operating systems. Experimental time-sharing was beginning, and ultimately computer graphics was to come along.
Above all, transistors began to replace vacuum tubes. This change presented a formidable challenge to the engineers of the day. They had to forget what they knew about circuits and start again. It can only be said that they measured up superbly well to the challenge and that the change could not have gone more smoothly.
Small-scale Integration and the Minicomputer.
Soon it was found possible to put more than one transistor on the same bit of silicon, and this was the beginning of integrated circuits. As time went on, a sufficient level of integration was reached for one chip to accommodate enough transistors for a small number of gates or flip flops. This led to a range of chips known as the 7400 series. The gates and flip flops were independent of one another and each had its own pins. They could be connected by off-chip wiring to make a computer or anything else.
These chips made a new kind of computer possible. It was called a minicomputer. It was something less that a mainframe, but still very powerful, and much more affordable. Instead of having one expensive mainframe for the whole organisation, a business or a university was able to have a minicomputer for each major department.
Before long minicomputers began to spread and become more powerful. The world was hungry for computing power and it had been very frustrating for industry not to be able to supply it on the scale required and at a reasonable cost. Minicomputers transformed the situation.
The fall in the cost of computing did not start with the minicomputer; it had always been that way. This was what I meant when I referred in my abstract to inflation in the computer industry lsquo;going the other wayrsquo;. As time goes on people get more for their money, not less.
Research in Computer Hardware.
The time that I am describing was a wonderful one for research in computer hardware. The user of the 7400 series could work at the gate and flip-flop level and yet the overall level of integration was sufficient to give a degree of reliability far above that of discreet transistors. The researcher, in a university or elsewhere, could build any digital device that a fertile imagination could conjure up. In the Computer Laboratory we built the Cambridge CAP, a full-scale minicomputer with fancy capability logic.
The 7400 series was still going strong in the mid 1970s and was used for the Cambridge Ring, a pioneering wide-band local area network. Publication of the design study for the Ring came just before the announcement of the Ethernet. Until these two systems appeared, users had mostly been content with teletype-based local area networks.
Rings need high reliability because, as the pulses go repeatedly round the ring, they must be continually amplified and regenerated. It was the high reliability provided by the 7400 series of chips that gave us the courage needed to embark on the project for the Cambridge Ring.
The RISC Movement and Its Aftermath
Early computers had simple instruction sets. As time went on designers of commercially available machines added additional features which they thought would improve performance. Few comparative measurements were done and on the whole the choice of features depended upon the designerrsquo;s intuition.
In 1980, the RISC movement that was to change all this broke on the world. The movement opened with a paper by Pat
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计算机的发展
在剑桥被送到国际电气工程师学会的权威演讲
2004年2月5日
莫里斯·威尔克斯
计算机实验室
剑桥大学
第一台存储程序的计算机开始出现于1950前后，它就是1949年夏天在剑桥大学，我们创造的延迟存储自动电子计算机（EDSAC）。
最初实验用的计算机是由象我一样有着广博知识的人构造的。我们在电子工程方面都有着丰富的经验，并且我们深信这些经验对我们很有好处。后来，被证明是正确的，尽管我们也要学习很多新东西。最重要的是瞬态一定要小心应付，虽然它只会在电视机的荧幕上一起一个无害的闪光，但是在计算机上这将导致一系列的错误。
在电路的设计过程中，我们经常陷入两难的境地。举例来说，我可以使用真空二级管做为门电路，就象在EDSAC中一样，或者在两个栅格之间用带控制信号的五级管，这被广泛用于其他系统设计，这类的选择一直在持续着直到逻辑门电路开始应用。在计算机领域工作的人都应该记得TTL，ECL和CMOS，到目前为止，CMOS已经占据了主导地位。
在最初的几年，IEE仍然由动力工程占据主导地位。为了让IEE 认识到无线工程和快速发展的电子工程并行发展是它自己的一项权利，我们不得不面对一些障碍。由于动力工程师们做事的方式与我们不同，我们也遇到了许多困难。让人有些愤怒的是，所有的IEE出版的论文都被期望以复杂的早期研究的陈述开头，无非是些在早期阶段由于没有太多经验而遇到的困难之类的陈述。
60年代的巩固阶段
60年代初，个人英雄时代结束了，计算机真正引起了重视。世界上的计算机数量已经增加了许多，并且性能比以前更加可靠。这些我认为归因与高级语言的起步和第一个操作系统的诞生。分时系统开始起步，并且计算机图形学随之而来。
综上所述，晶体管开始代替正空管。这个变化对当时的工程师们是个不可回避的挑战。他们必须忘记他们熟悉的电路重新开始。只能说他们鼓起勇气接受了挑战，尽管这个转变并不会一帆风顺。
小规模集成电路和小型机
很快，在一个硅片上可以放不止一个晶体管，由此集成电路诞生了。随着时间的推移，一个片子能够容纳的最大数量的晶体管或稍微少些的逻辑门和翻转门集成度达到了一个最大限度。由此出现了我们所知道7400系列微机。每个门电路或翻转电路是相互独立的并且有自己的引脚。他们可通过导线连接在一起，作成一个计算机或其他的东西。
这些芯片为制造一种新的计算机提供了可能。它被称为小型机。他比大型机稍差，但功能强大，并且更能让人负担的起。一个商业部门或大学有能力拥有一台小型机而不是得到一台大型组织所需昂贵的大型机。
随着微机的开始流行并且功能的完善，世界急切获得它的计算能力但总是由于工业上不能规模供应和它可观的价格而受到挫折。微机的出现解决了这个局面。
计算消耗的下降并非起源与微机，它本来就应该是那个样子。这就是我在概要中提到的“通货膨胀”在计算机工业中走上了歧途之说。随着时间的推移，人们比他们付出的金钱得到的更多。
硬件的研究
我所描述的时代对于从事计算机硬件研究的人们是令人惊奇的时代。7400系列的用户能够工作在逻辑门和开关级别并且芯片的集成度可靠性比单独晶体管高很多。大学或各地的研究者，可以充分发挥他们的想象力构造任何微机可以连接的数字设备。在剑桥大学实验室力，我们构造了CAP，一个有逻辑能力的微机。
7400在70年代中期还不断发展壮大，并且被宽带局域网的先驱组织Cambridge Ring所采用。令牌环设计研究的发表先于以太网。在这两种系统出现之前，人们大多满足于基于电报交换机的本地局域网。
令牌环网需要高可靠性，由于脉冲在令牌环中传递，他们必须不断的被放大并且再生。是7400的高可靠性给了我们勇气，使得我们着手Cambridge Ring.项目。
精简指令计算机的诞生
早期的计算机有简单的指令集，随着时间的推移，商业用微机的设计者增加了另外的他们认为可以微机性能的特性。很少的测试方法被建立，总的来说特性的选取很大程度上依赖于设计者的直觉。
1980年，RISC运动改变了微机世界。该运动是由Patterson 和 Ditzel发表了一篇命名为精简指令计算机的情况论文而引起的。
除了RISC这个引人注目缩略词外，这个标题传达了一些指令集合设计的见解，随之引发了RISC运动。从某种意义上说，它推动了线程的发展，在处理器中，同一时间有几个指令在不同的执行阶段称为线程。线程不是个新概念，但是它对微机来说是从未有过的。
RISC受益于一个最近的可用的方法的诞生，该方法使估计计算机性能成为可能而不去真正实现该微机的设计。我的意思是说利用目前存在的功能强大的计算机去模拟新的设计。通过模拟该设计，RISC的提倡者能够有信心的预言，一台使用和传统计算机相同电路的RISC计算机可以和传统的最好的计算机有同样的性能。
模拟仿真加快了开发进度并且被计算机设计者广泛采用。随后，计算机设计者变的多些可理性少了一些艺术性。今天，设计者们希望有满屋可用计算机做他们的仿真，而不只是一台，
X86指令集
除非出现很大意外，要不很少听到有计算机使用早期的RISC指令集了。INTEL 8086及其后裔都与x86密切相关。X86构架已经占据了计算机核心指令集的主导地位。被认为是相当成功的RISC指令集现在的生存空间越来越小了。
对于我们这些从事计算机学术研究的人，X86的统治地位让我们感到失望。毫无疑问，商业上对于x86的生存会有更多的考虑，但是这里还有很多原因，尽管我们多么希望人们考虑其他的方面。高级语言并没有完全消除对机器原始编码的的使用。我们仍需要不断提醒我们自己：我们应该严格的与先前的应用在机器层面上保持兼容。然而，情况也许有所不同，如果Intel的主要目的是为是生产一个好的RISC芯片。有一个已经取得了更大的成功，我所说的i860(不是i960,它们有一些不同)。从许多方面来说，i860是个卓越的芯片，但是它的软件借口不适合在工作站上应用。
对于x86取得胜利的最后有一件有意思的事情。直接应用先前x86的实现方式对于满足RISC处理器的持续增长的速度要求，是不可能的。因此，设计者们没有完全实现RISC指令集，尽管这不是很明显。表面上，一片现代的x86芯片包含了隐藏实现的部分，好象和实现RISC指令集的芯片一样。当致命的异常发生时，X86引入的代码是，经过适当的篡改后，被转化为它的内部代码并且被RISC芯片处理。
对于以上RISC运动的总结，我非常信赖最新版本的哈里斯和培生出版社的有关计算机设计的书籍。请参考特殊计算机体系构造，第三版，2003，P146，151-4，157-8
IA-64指令集
很久以前，Intel 和 Hewlett-Packard引进了IA-64指令集。这最初主要是为了满足通常的64位地址空间问题。在这种情况下，随后出现了MIPS R4000和Alpha。然而，人们普遍认为Intel应该与x86构架保持兼容，可令人疑惑的是相反。
进一步说，IA-64的设计与其他所有的指令集在主要实现方式上有所不同。特别的，每条指令它需要附加的6位。这打乱了传统的在指令字长和信息内容的平衡，并且它改变了编译器作者的原先的大纲。
尽管IA-64是个全新的指令集，但Intel发表了一个令人困惑的声明：基于IA-64的芯片将与早期的x86芯片保持兼容。很难弄懂它所指的是什么。
最新的称为Itaninu IA-64处理器显然需要特殊的兼容性的硬件，尽管如此，x86编码运行的相当慢。
由于以上的复杂因素，IA-64的实现需要更大的体积相对与传统的指令集，这暗示着更大的消耗。因此，在任何情况下，作为常识和一般性的标准，Gordon Moore在访问剑桥最近开放的Betty and Gordon Moore 图书馆时所反复强调。在听到他说问题出现在Intel内部也许有所不同，我很不理解。但是我已经作好了准备，去接受这样的事实，我已经完全不了解半导体经济学了。
AMD已经定义了一种64位的与x86更加兼容的指令集，并且他们已经取得了进展。这种片子并不是很大。很多人认为这才是Intel应该做的。（在这篇演讲稿被提交之前，Intel表示他们将销售一系列本质上与AMD兼容的芯片）
更小晶体管的出现
集成度还在不断增加，这是通过缩小原始晶体管以致可以更容易放在一个片子上。进一步说，物理学的定律占在了制造商的一方。晶体管变的更快，更简单，更小。因此，同时导致了更高的集成度和速度。
这有个更明显的优势。芯片被放在硅片上，称为晶片。每一个晶片拥有很大数量的独立芯片，他们被同时加工然后分离。因为缩小以致在每块晶片上有了更多的芯片，所以每块芯片的价格下降了。
单元价格下降对于计算机工业是重要的，因为，如果最新的芯片性能和以前一样但价格更便宜，就没有理由继续提供老产品，至少不应该无限期提供。对于整个市场只需一种产品。
然而，详细计算各项消耗，随着芯片小到一定程度，为了继续保持产品的优势，移到一个更大的圆晶片上是必要的。尺寸的不断增加使的圆晶片不再是很小的东西了。最初，圆晶片直径上只有1到2英寸，到2000年已经达到了12英寸。起初，我不太明白，芯片的缩小导致了一系列的问题，工业上应该在制造更大的圆晶片上遇到更多的问题。现在，我明白了，单元消耗的减少在工业上和在一个芯片上增加电子晶体管的数量是一样重要的，并且，在风险中增加圆晶片厂的投资被证明是正确的。
集成度被特殊的尺寸所衡量，对于特定的技术，它是用在一块高密度芯片上导线间距离的一半来衡量的。目前，90纳米的晶片正在被建成。
对Murphyrsquo;s定理的怀疑
1997年3月，在Cavendish实验室建立一百周年纪念庆典上，Gordon Moore被邀作为一名演讲者。在他演讲的过程中，我第一次了解到这样一个事实，我们可以使得硅芯片既快并且消耗低，从而违反在英国被称为Murphyrsquo;s 定律或 Sodrsquo;s 定律。Moore说在其它领域你也许不在二者之间做出取舍，但事实上，在硅片上，同时拥有二者是可能的。
在网上可得到一本相关的书籍，Murphy是在美国空军中从事人体重力加速度研究的工程师。然而在我们的学生时代就已经相当熟悉该定律，当时我们对于该定律有个更接近散文的名字而不是上面我们提到的那两个名字，我们称为General Cussedness定律。甚至它都曾出现在我们的试卷上。问题是这样，第一部分是关于该定律的定义，第二部分是应用该定律解决一道问题。我们的试题是：一、给出General Cussedness定律的定义；二、当一个骑自行车人围绕着圆做运动时，在任何情况下，考虑到风的因素得到一个平衡公式。
单片机
芯片每次的缩小，芯片数量将减少；并且芯片间的导线也随之减少。这导致了整体速度的下降，因为信号在各个芯片间的传输时间变长了。
渐渐地，芯片的收缩到只剩下处理器部分，缓存都被放在了一个单独的片子上。这使得工作站被建成拥有当代小型机一样的性能，结果搬倒了小型机绝对的基石。正如我们所知道的，这对于计算机工业和从事计算机事业的人产生了深远的影响
自从上述时代的开始，高密度CMOS硅芯片成为主导。随着芯片的缩小技术的发展，数百万的晶体管可以放在一个单独的片子上，相应的速度也成比例的增加。
为了得到额外的速度。处理器设计者开始对新的体系构架进行实验。一次成功的实验都预言了一种新的编程方式的分支的诞生。我对此取得的成功感到非常惊奇。它导致了程序执行速度的增加并且其相应的框架。
同样令人惊奇的是，通过更高级的特性建立一种单片机是有可能的。例如，为IBM Model 91开发的新特性，现在在单片机上也出现了。
Murphy定律仍然在中止的状态。它不再适用于使用小规模集成芯片设计实验用的计算机，例如7400系列。想在电路级上做硬件研究的人们没有别的选择除了设计芯片并且找到实现它的办法。一段时间内，这样是可能的，但是并不容易。
不幸的是，制造芯片的花费有了戏剧性的增长，主要原因是制造芯片过程中电路印刷版制作成本的增加。因此，为制作芯片技术追加资金变的十分困难，这是当前引起人们关注的原因。
半导体前景
对于以上提到的各个方面，在部分国际半导体工业部门的精诚合作下，广泛的研究与开发工作是可行的。
在以前美国反垄断法禁止这种行为。但是在1980年，该法律发生了很大变化。预竞争概念被引进了该法律。各个公司现在可以在预言竞争阶段展开合作，然后在规则允许的情况下继续开发各自的产品。
在半导体工业中，预竞争研究的管理机构是半导体工业协会。1972年作为美国国内的组织，1998年成为一个世界性的组织。任何一个研究组织都可加入该协会。
每两年，SIA修订一次ITRS(国际半导体科学规划)，并且逐年更新。1994年在第一卷中引入了“前景规划”一词，该卷由两个报告组成，些于1992年，在1993年提交。它被认为是该规划的真正开始。
为了推动半导体工业的向前发展，后续的规划提供最好的可利用的工业标准。它们对于15年内的发展做出了详细的规划。要达到的目标是每18个月晶体管的集成度增加一倍，同时每块芯片的价格下降一半，即Moore定律。
对于某些方面，前面的道路是清楚的。在另一方面，制造业的问题是可以预见的并且解决的办法也是可以知道的，尽管不是所有的问题都能够解决。这样的领域在表格中由蓝色表示，同时没有解决办法的，加以红色。红色区域往往称为红色砖墙。
规划建立的目标是现实的，同时也是充满挑战的。半导体工业整体上的进步于该规划密不可分。这是个令人惊讶的成就，它可以说是合作和竞争共同的价值。
值得注意的是，促进半导体工业向前发展的主要的战略决策是相对开放的预竞争机制，而不是闭关锁国。这也包括大
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