冯·诺依曼瓶颈下计算机体系结构的创新
电子技术应用 11期
吕启闻1，陈泽乾1，2，张曦月3，周朋1，张鲁峰1，于春霖1，3，陈钦3，叶涛4，李璇1
（1.中国长城科技集团股份有限公司 中国长城研究院， 广东 深圳 518057；2.中南大学 计算机学院， 湖南 长沙 410083； 3.中国电子信息产业集团有限公司 科技发展部， 广东 深圳 518057；4.南方科技大学 工学院， 广东 深圳 518055）
摘要： 在计算机体系结构的发展过程中，冯·诺依曼架构无疑是最为传统且主流的架构之一。为了追求更加高速的计算效率，人们在冯·诺依曼架构的基础上不断做出优化，直至达到其发展瓶颈。从传统冯·诺依曼架构出发，分析了该架构固有的局限性，并列举了针对这些局限性所作出的基本改良措施。然后具体介绍了存算一体、数据流计算等在冯·诺依曼架构上进行创新的多种技术手段。最后简述了突破原始电子计算机物理材料体系的其他非冯·诺依曼架构的发展历程，例如类脑计算机和量子计算机等，并展望了现代计算机体系结构的发展前景与方向。
中图分类号：TP303
文献标志码：A
DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.233839
引用格式： 吕启闻，陈泽乾，张曦月，等. 冯·诺依曼瓶颈下计算机体系结构的创新[J]. 电子技术应用，2023，49(11)：28-34.
文献标志码：A
DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.233839
引用格式： 吕启闻，陈泽乾，张曦月，等. 冯·诺依曼瓶颈下计算机体系结构的创新[J]. 电子技术应用，2023，49(11)：28-34.
Innovation of computer architecture under the bottleneck of von Neuman
Lv Qiwen1，Chen Zeqian1，2，Zhang Xiyue3，Zhou Peng1，Zhang Lufeng1，Yu Chunlin1，3，Chen Qin3，Ye Tao4，Li Xuan1
(1.China Great Wall Research Institute， China Great Wall Technology Group Co.， Ltd， Shenzhen 518057， China；2.College of Computing， Central South University， Changsha 410083， China；3.Science and Technology Development Department， China Electronics Corporation， Shenzhen 518057， China；4.College of Engineering， Southern University of Science and Technology， Shenzhen 518055， China)
Abstract： In the development of computer architecture, the von Neumann architecture is undoubtedly one of the most traditional and mainstream architectures. In order to pursue higher-speed computing efficiency, people continue to make optimizations on the basis of the von Neumann architecture until it reaches its development bottleneck. Starting from the traditional von Neumann architecture, this paper analyzes the inherent limitations of the architecture, and lists the basic improvement measures for these limitations. Then it specifically introduces a variety of technical means for innovation on the von Neumann architecture, such as the computing in memory, and data flow calculation. Finally, the development process of other non-von Neumann architectures that break through the original electronic computer physical material system, such as brain-inspired computer and quantum computer, is briefly described, and the development prospects and directions of modern computer architectures are prospected.
Key words : architecture；von Neumann bottleneck；data flow computers；non-von Neumann architecture
【引言】
电子计算机自问世以来经过80余年的持续探索与发展[1]，逐渐成为当今世界人类工作和生活中不可或缺的部分，推动了各行各业和社会的发展，是人类历史上最伟大的发明之一。电子计算机发展到现在以来所遵循的基本结构为传统的冯·诺依曼架构[2]。随着人工智能等高新技术的快速发展与应用，传统冯·诺依曼架构由于其固有缺陷，已难以适应与处理对算力要求极高的任务，电子计算机架构的创新与突破成为了亟待解决的重要问题。本文将深入探讨到目前为止，为解决传统冯·诺依曼架构的缺陷所采取的思路与解决方案。
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【作者信息】
吕启闻1，陈泽乾1，2，张曦月3，周朋1，张鲁峰1，于春霖1，3，陈钦3，叶涛4，李璇1
（1.中国长城科技集团股份有限公司 中国长城研究院， 广东 深圳 518057；2.中南大学 计算机学院， 湖南 长沙 410083；
3.中国电子信息产业集团有限公司 科技发展部， 广东 深圳 518057；4.南方科技大学 工学院， 广东 深圳 518055）
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