序一

這是一本對計算機(jī)系統(tǒng)領(lǐng)域開創(chuàng)性的部分經(jīng)典文獻(xiàn)進(jìn)行深入分析的書，令人耳目一新。對于一個研究者來說，需要在充分了解現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上去嘗試創(chuàng)新和評價創(chuàng)新，因此閱讀文獻(xiàn)是一項基本功。但是，一方面文獻(xiàn)太多，另一方面學(xué)者的時間太少，形成一對矛盾。面對這一矛盾，很多學(xué)者按照類似高速緩存的LRU（Least Recently Used）替換算法的方法去選擇文獻(xiàn)閱讀，也就是只看或主要看最近新發(fā)表的文獻(xiàn)。這樣做的一個潛在后果是，我們一直在追逐最前沿的研究，而在提出新概念、發(fā)現(xiàn)新問題、進(jìn)行原創(chuàng)性研究方面貢獻(xiàn)不多，甚至忘記學(xué)科的“初心”，缺乏對學(xué)科全局視圖的了解和把握。

在我們國家的計算機(jī)學(xué)科中，較多的人從事應(yīng)用層的研究或開發(fā)，而從事計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究或開發(fā)的比例不高，形成一個倒立的金字塔，導(dǎo)致“頭重腳輕”。即使對這比例不高的從事計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究的人而言，計算機(jī)系統(tǒng)方面的開創(chuàng)性文獻(xiàn)，由于年代久遠(yuǎn)，很多人也沒有時間或機(jī)會親自閱讀。但是，很多原汁原味的精華，只有在親自研讀原文的過程中才能體會。現(xiàn)有教科書的轉(zhuǎn)述或綜述，或者網(wǎng)絡(luò)上一些只言片語、良莠混雜、真假難辨的快餐式評述，因為難以兼顧系統(tǒng)性、深刻性、準(zhǔn)確性、可讀性，往往很難把原始文獻(xiàn)中那寶貴的精華完整準(zhǔn)確地保留下來、傳播出去。

在新時期，我們國家的發(fā)展將更加注重質(zhì)量，從外延式擴(kuò)張轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)涵式發(fā)展。對計算機(jī)學(xué)科來說，計算能力的提升方式也將有一個轉(zhuǎn)變，就是從主要依靠摩爾定律增加可用的硬件資源（即通過工藝進(jìn)步不斷地增加片上晶體管密度），轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕揽矿w系結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新提高性能（即在資源總量不變的前提下通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化獲得性能或能量效率的提升）。在這樣的形勢下，我們國家需要在計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域有更多的原創(chuàng)性成果。劉宇航、包云崗編著的這本書為我們未來進(jìn)行原創(chuàng)性研究提供了很好的材料。全書體量很大，顯然需要付出極大的體力和腦力，劉宇航、包云崗作為青年學(xué)者，已經(jīng)積累了豐富的研究經(jīng)驗和工程經(jīng)驗，能夠經(jīng)年累月沉下心來，在工作之余認(rèn)真仔細(xì)推敲原始文獻(xiàn)，并給出自己的獨特見解，這是非常難能可貴的。很欣喜看到老一輩科學(xué)家求真、求實、創(chuàng)新、創(chuàng)造的精神能夠被年輕一代傳承發(fā)揚(yáng)。

計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)學(xué)科是一個抽象的大廈，這座大廈的全部重力最終要落到一些關(guān)鍵的基座或頂梁柱上，本書所評述解析的十余篇開創(chuàng)性文章就是這些基座或頂梁柱的重要部分。當(dāng)然，通過十余篇文章很難把一個學(xué)科的全部信息滴水不漏地完整覆蓋，但是抓住這些關(guān)鍵少數(shù)，就抓住了撐起整個學(xué)科空間的基干（類似于線性空間的基或正交基）。

這本書最早的一篇文獻(xiàn)發(fā)表于1936年，比我出生還要早兩年，還有一些文章發(fā)表于20世紀(jì)50年代和70年代，等等。我們現(xiàn)在閱讀這些文章是幸運(yùn)的，因為我們處在歷史長河的當(dāng)前坐標(biāo)上，我們可以回顧、咀嚼、檢驗之前的判斷或預(yù)見是否正確，之前的設(shè)計對后來的影響，這些會增加我們的智識，在我們的頭腦中存儲一些既往的創(chuàng)新范式，給未來的創(chuàng)新提供借鑒。

這樣一本書可以作為計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)專業(yè)的參考書，甚至可以直接作為高級研修或研討課的教材。在此，給讀者提供以下建議：

（1）注意原創(chuàng)性思維或意識的培養(yǎng)。縱觀全書的十余篇文章，我們發(fā)現(xiàn)大部分文章的結(jié)論至今仍然適用，比如現(xiàn)在的計算機(jī)仍然是約翰·馮·諾依曼提出的程序存儲式的五位一體（包括運(yùn)算器、控制器、存儲器、輸入、輸出）結(jié)構(gòu)。我們除了記住這些總結(jié)凝練之后的知識要點，更重要的是觀察歷史先驅(qū)如何破冰啟航，如何從無到有來構(gòu)思或構(gòu)造出這些概念和結(jié)構(gòu)。在本書第3章，約翰·馮·諾依曼在關(guān)于EDVAC的報告中從頭到尾一直參考或類比生物神經(jīng)系統(tǒng)，這樣的參考或類比需要敏銳的洞察力，也需要很強(qiáng)的遷移落實到電子工程上的能力。這些是需要我們仔細(xì)體會的。

（2）注意文獻(xiàn)之間的聯(lián)系和比較，建立整體觀。我們國家很多學(xué)者做的是增量式創(chuàng)新（Incremental Innovation），在看到已發(fā)表的某個文獻(xiàn)的研究后，將其作為基準(zhǔn)（Baseline），在上面加入自己的一個想法，取得若干個百分點的某種指標(biāo)的提升。這種研究確實是創(chuàng)新，但往往受限于既有的框架，屬于局部性的漸進(jìn)式創(chuàng)新，往往不是全局性的顛覆式創(chuàng)新。要想改變這種狀況，可能要從人才培養(yǎng)階段就提倡建立“整體觀”，注意文獻(xiàn)之間的聯(lián)系和比較，比如本書第10章論述的存儲墻問題就是記憶問題，短時記憶、長時記憶對于思考速度有很大的影響，影響到第3章EDVAC的設(shè)計，影響到第1章所論述的“機(jī)器能否思考”，影響到第13、14章所論述的微處理器的未來，等等。有了整體觀，我們就打通了脈絡(luò)，看到的不再是孤立的一篇篇文獻(xiàn)，而是相互聯(lián)系貫通的一篇大文章，這樣書就讀薄了、讀活了。

（3）注意設(shè)計能落實貫徹新思想的可以運(yùn)行的系統(tǒng)（Runnable System）。對于計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)研究者，除了要強(qiáng)調(diào)思想和觀念的作用（比如本書第11章所述的數(shù)據(jù)流的思想），還要強(qiáng)調(diào)能夠?qū)崒嵲谠诘亍⒑侠淼亍⒔?jīng)濟(jì)高效地設(shè)計出能運(yùn)行的系統(tǒng)，這是計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)研究者區(qū)別于純粹意義上的哲學(xué)家、數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家的地方。有了新思想不容易，有了新思想之后落實貫徹新思想也不容易，本書第3、6、11、12章在這方面給我們提供了優(yōu)秀的示范。比如第3章給出了存儲程序式計算機(jī)的詳細(xì)設(shè)計，這是1945年撰寫的一份報告，沒有先例可循；又如第11章給出了數(shù)據(jù)流處理器的初步架構(gòu)，這是1974年發(fā)表于第二屆國際計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)會議（ISCA）的文章，在那個時候數(shù)據(jù)流的思想是很新的，具體怎樣實現(xiàn)，并沒有可參照之物，但麻省理工學(xué)院的丹尼斯等人結(jié)合頭腦中的靈感和合理的邏輯推演論證，給出了理論上可以運(yùn)行的考慮周到的具體計算系統(tǒng)。

最后，祝愿中國計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)學(xué)科在人才培養(yǎng)、研究創(chuàng)新（尤其是原創(chuàng)性基礎(chǔ)研究）方面取得更大的進(jìn)步，為新時期的國家發(fā)展做出更大貢獻(xiàn)。

中國科學(xué)院院士