专题 | 脑芯编：烛台簇华照单影

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言归正传，这个特立独行的故事从这里开先，我们要认识一个老爷爷（还活着好像），他叫 Michael Flynn。老人家生于大萧条时代的扭腰城，一不小心提出了一个分类法，叫做 Flynn Taxonomy（1966）。然后计算机体系机构就被 Flynn taxonomy 的五指山给压几十年。

Flynn Taxonomy 的五指山把计算机结构分为两个部分：指令与数据，在时间轴上指令与数据可以单步执行或多次运行进行分类，即单指令单数据（SISD），单指令多数据（SIMD），多指令单数据（MISD）和多指令多数据（MIMD）。

并行，从 Pipeline 到 SIMD

Flynn taxonomy 给并行计算机体系结构指了两条明路——指令级并行和数据级并行。

首先来看下指令与数据的关系。指令是处理器单步可以实现的操作的集合。指令集里的每一条指令，都包含两个部分（1）什么操作，（2）对什么数据进行操作。专业地，我们把前者叫做 opcode，后者叫做 operand（也就是数据）。当然，并不是所有的命令都有数据操作。传统定义的指令集里面，对应的 operand 不超过 2。比如，加减乘除都是典型的二元操作。数据读写就是一元的，还有些就是没有任何数据的操作，比如一个条件判断（if）发生了，根据判断结果程序何去何从，只是一个 jump 操作，他并不需要任何数据输入。

你还记得（一）昨夜神风送层云里都提到的一个 neuron 计算么？每一个 neuron 都要经历 n 个输入的乘累加~

指令级并行的第一种、也是最经典的办法叫做时间上并行，这是所有的体系结构教科书最喜欢教的流水线架构（pipeline）。简而言之，在发明流水线以前，处理器里面只有一个老司机，什么事情都得他来干，但是下一条指令得等老司机干完上一个~但是，流水线就是把一个老死机变成了三个臭皮匠，每个人干三分之一就给下一个，这样下一条指令只需在上一条被干完 1/3 后就可以进来了。虽然老司机体力好，但赶不上年轻的臭皮匠干的快啊。这样，流水线可以实现时间上的指令集并行, 成倍提高实际指令的处理效率。

经典 MIPS-5 级流水线

有一就有二，有时间当然就有空间。所以，第二种办法是空间上的并行。空间并行基于一个观察——对数据的操作有很多种——加减乘除移位、整数操作、浮点操作……每一个模块的处理（ALU/EXU）是独立的，所以，就空间上，一个浮点加法在处理的时候，完全可以同时进行一个整数移位操作，像老顽童教小龙女的左右互搏分心二用。所以，在计算机体系的历史上，我们把练成「左右互博」术的处理器叫做——超标量（Superscalar）/超长指令 (Very Long Instruction Word, VLIW) 处理器。关键在于，有没有几套对应的前后 fetch /Decode /读写模块。在实际设计中，超标量从硬件层面进行自动对数据进行再排序，而 VLIW 是用编译器层面将 c-code 编译成更大条的指令。所以超标量的硬件更难做，而 VLIW 的编译器更难设计。

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