Week2：本周学习的知识主要包括：首先介绍了芯片工艺制造过程中缩放定律（Dennard Scaling）的变迁，在该变迁过程中，由于受到功耗的限制，产生了所谓的暗硅现象（Dark Silicon）；其次介绍了指令集架构（ISA）的概念和研究内容，详细阐述了CISC和RISC的区别，并介绍了一个评判ISA性能的理论公式；最后介绍了一个4条指令的极简RISC-V指令集的案例。
内容回顾
缩放定律的变迁
摩尔定律（1965）的解释：Dennard Scaling
由美国科学家罗伯特唐纳德（DRAM的发明人）在1974年提出。指出随着芯片尺寸的进一步减小，内部的电场是保持不变的，即电场守恒缩放（Constant field Scaling）。因此随着芯片尺寸的虽小，假设尺寸变化比例为$S$。
Transistors Property Change ${\Delta}$Quantity $S^2$ ${\Delta}$Frequency $S$ ${\Delta}$Capacity $\frac{1}{S}$ ${\Delta}{V_{dd}}^2$ $\frac{1}{S^2}$ 那么根据功耗的表达式，芯片功耗的变化为
$${\Delta}Power={\Delta}QFCV^2=1$$因此，在功耗可以保持不变的情况下，芯片的尺寸一直印证着摩尔定律在不断地缩小，性能也在不断地提高。缩放定律的变迁：Post Dennard Scaling
- 原因：晶体管是有阈值电压的，电源电压是有一个极限的，它不能小于管子的阈值电压$V_t$，故电源电压不可能一直减小，最后会保持趋于一个定值。
- 发展：故传统Dennard Scaling不再适用，因此，电场守恒缩放（Constant field Scaling）逐步转变为电压守恒缩放（Coinstant Voltage Scaling），那么原先的功耗结果将发生变化，即
$${\Delta}Power={\Delta}QFCV^2=S^2$$
这就会造成随着芯片尺寸的减小，芯片的功耗将呈$S^2$倍的变化，导致芯片的功耗急剧增加。如图所示，当尺寸在0.1um的节点中，芯片单位面积产生的功耗已经可以和核电站的发热量相当，这使得了芯片的发展受到了自身功耗的很大限制，也产生了所谓的暗硅现象。
暗硅现象
暗硅现象的出现：由于芯片受到功耗的限制，对于多核处理器而言，他的每一个核并不能全部使用。因此在处理器工作时，有些处理器核是关闭，即所谓的“暗硅”（Dark Silicon）。但是芯片的工艺节点仍然在发展，如今已经到了7nm时代，这意味着我在相同面积的基础上能造更多的处理器核，但是实际工作的处理器核的利用率却越来越低。因此，为了避免以上现象的产生，工业界采用的解决方案是让处理器核处于“灰度状态”（Dim），即让处理器核在更低频率、更低功耗的状态下去工作，这样在消耗相同的功耗情况下，能同时运行的处理器核数可以增加，使得处理器核的利用率提高。这也是目前的处理器主频并没有提高太多的原因。
暗硅现象的发展：基于以上分析，由于Dark Silicon的存在，可以看出一个处理器芯片没有必要造更多的核数量，因为多余的核也是白白浪费的。然而，事实上却截然相反，Dark Silicon的存在反而使得在芯片上出现了更多的处理器核数量，这其中的原因主要如下：
- 商业行为：误导消费者处理器核数量越多，处理器性能越强；
- 更好地散热：芯片越大，有利于更好地散热；
- 制造成本：芯片设计成本较高，制造成本较低。处理器核数量越多，开核的自由度越高，有利于减少处理器的设计难度（增加处理器核之间的距离，帮助更好地散热，更好地优化能耗。例如处理器核通过类似于国际象棋的排布，其热量就不会过于集中，且特定的情况下，在部分极短的时间开启所有核满足性能需求，也不会造成热的积累）。
专用处理器的设计：对于目前的处理器而言，芯片功耗的降低比面积的降低更加重要。而使用专用的处理器核相比通用的处理器核能效比更高，产生的功耗也更加低，因此为了更好地提高处理器的性能，在多余核无用的情况下，不如将无用核的替换成专用的处理核，如现在SoC处理器中，一颗多核的CPU周边会搭配若干个专用的处理器核，如GPU、AI加速器、通信基带、视频编解码器等，这样当设备需要什么功能时直接调用相应的处理器核即可，这样将大大减少芯片的功耗，同时提高处理器的性能。因此，从一定程度上可以说，Dark Silicon的出现也为设计专业的处理器核奠定了一定的理论依据。
指令集架构
计算机体系结构研究的内容：
- 指令集架构（Instruction Set ArchitectureISA）
- 硬件组成（Hardware Organization）
x86的64位指令集是由AMD发明的
RISC和CISC的重要区别：存储器的访问方式
- RISC只能以load 和store指令访问存储器，而ALU能访问到寄存器列表，数据需要先从存储器加载到寄存中，是Load-Store类型；
- CISC的指令都可以访问到存储器，ALU也能直接访问储器，是Register-Memory类型
评估一个ISA性能的理论公式
$$\frac{Time}{Program}={\frac{Instructions}{Program}}\times{\frac{Clock cycles}{Instructio}}\times{\frac{Time}{Clock cycles}}$$
RISC-V指令集
- RISC-V指令集
- 指令集格式说明
- 一个4条指令的案例
