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出版者:Pearson

作者:Michael John Sebastian smith

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:1997

价格:0

装帧:Paperback

isbn号码:9782101500221

丛书系列:

图书标签:

• ASIC
• 集成电路
• 数字电路
• 芯片设计
• VLSI
• 半导体
• 电子工程
• 嵌入式系统
• 硬件设计
• 微电子学

《计算系统架构的演进：从冯·诺依曼到后摩尔时代》 图书简介 本书旨在全面、深入地剖析计算系统架构在过去七十年间所经历的范式转变、关键技术突破及其对信息技术生态的深远影响。我们不再局限于单一的计算模型，而是将视角拓展至涵盖从早期晶体管逻辑到当前异构计算、专用加速器兴起的宏大历史进程。 第一部分：经典计算模型的奠基与扩展 本书的开篇部分将追溯现代计算的源头——冯·诺依曼架构。我们不会仅仅停留在指令集和存储程序概念的罗列，而是深入探讨其结构性优势与固有的“冯·诺依曼瓶颈”——即处理器与存储器之间的数据传输速率限制。 1. 指令集哲学与早期实现： 详细分析早期的指令集设计，包括固定长度指令与变长指令的权衡。讨论控制单元的设计，从微程序控制到硬布线控制的演进，以及它们对指令执行效率的影响。 2. 内存层次结构（L1-L3缓存的诞生）： 深入探讨引入高速缓存（Cache）的动机与实现细节。分析直接映射、组相联和全相联缓存的命中率、冲突率及替换策略（如LRU、FIFO）。着重分析多级缓存系统如何协同工作以缓解内存墙问题。 3. 并行性的萌芽： 在指令级并行（ILP）的早期探索阶段，我们将考察超标量（Superscalar）处理器、流水线技术（Pipelining）的深度优化，以及乱序执行（Out-of-Order Execution）的复杂性。这部分将阐释现代CPU核心内部的复杂调度机制。 第二部分：多核时代的崛起与挑战 随着晶体管密度的增加，功耗墙和散热瓶颈使得单纯提高时钟频率变得不切实际。计算系统架构被迫转向利用更多的核心来提升整体性能。 1. 片上多处理器（CMP）的设计范式： 分析共享内存多处理器系统的核心挑战——缓存一致性。详细介绍各种缓存一致性协议，如Snooping协议（MSI, MESI, MOESI）和目录式协议（Directory-based protocols），并讨论它们在不同规模系统中的适用性。 2. 内存一致性模型： 区别于硬件层面的缓存一致性，本书将严谨讨论编程模型中的内存一致性。对比顺序一致性（Sequential Consistency）与更宽松的释放一致性（Release Consistency）和顺序一致性（Acquire-Release），以及它们对软件开发者编写并发代码的指导意义。 3. 互连网络（Interconnects）的演进： 在多核系统和大规模集群中，处理器间通信至关重要。我们将分析总线、Crossbar开关以及早期网络结构（如Mesh、Torus）的拓扑结构、带宽与延迟特性。 第三部分：异构计算与专业化加速的浪潮 摩尔定律放缓的背景下，性能提升的动力转向了利用特定计算任务的结构性优势，催生了异构计算的时代。 1. 图形处理器（GPU）的计算革命： 深入剖析GPU的SIMT（Single Instruction, Multiple Thread）架构。解释其如何通过大量简单核心实现高度数据并行性，并探讨其内存访问模式（如合并访问、Bank冲突）对编程的约束。 2. 领域特定架构（DSA）的兴起： 详细研究为特定应用领域定制的处理器。这包括数字信号处理器（DSP）、网络处理器（NP）的设计哲学，以及它们在吞吐量和能效上如何超越通用CPU。 3. 加速器与可编程逻辑： 讨论FPGA（现场可编程门阵列）在提供可重构硬件加速方面的作用。分析其编译流程、资源映射以及在延迟敏感型任务中的应用。 第四部分：面向未来的计算架构 本书的最后部分将展望后摩尔时代的技术方向，重点关注解决现有体系结构面临的根本性挑战。 1. 内存计算（Processing-in-Memory, PIM）： 探讨将部分计算逻辑集成到存储单元内部以消除数据搬运的潜力。分析基于SRAM或新型非易失性存储器（如ReRAM, MRAM）的计算范式及其对编程模型的影响。 2. 存算一体化（In-Memory Computing for AI）： 聚焦于深度学习的硬件需求。分析矩阵乘法单元（如TPU中的脉动阵列）的设计原则，讨论稀疏性处理和低精度计算（如INT8, INT4）在能效上的优化。 3. 量子计算与生物启发计算的接口： 简要介绍量子比特架构的挑战，以及如何设计能够有效桥接经典控制平面与量子协处理器（QPU）的混合计算系统。讨论神经形态芯片的事件驱动架构与传统时钟驱动架构的根本区别。 读者对象： 本书面向计算机体系结构的研究人员、高级电子工程师、高性能计算（HPC）从业者，以及希望全面理解现代计算机硬件演进脉络的计算机科学专业学生。要求读者具备一定的数字逻辑和操作系统基础知识。本书致力于提供一个严谨、全面的知识框架，而非停留在对特定商业产品的描述上。

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这本书的封面设计得非常引人注目，色彩搭配大胆而富有科技感，封面上那复杂精密的电路图纹理似乎在无声地诉说着书中的深度与广度。光是翻开扉页，就能感受到作者在构建这个知识体系时的严谨态度。我本以为这是一本仅限于教科书式的枯燥讲解，但深入阅读后发现，作者巧妙地将理论基础与实际应用场景紧密结合起来。例如，在介绍VLSI设计流程时，并没有停留在抽象的EDA工具使用说明上，而是深入剖析了不同工艺节点下设计权衡（Trade-off）的哲学——如何在速度、功耗和面积之间找到那个甜蜜点。书中对低功耗设计（Low Power Design）的章节尤其令人印象深刻，它不仅仅罗列了技术清单，更像是在引导读者进行一场系统级的功耗预算规划，从架构选择到晶体管级的优化策略，逻辑清晰，层层递进。特别是关于电源门控（Power Gating）和时钟树综合（Clock Tree Synthesis）的讨论，配有大量来自实际芯片案例的仿真数据和分析图表，这使得原本晦涩难懂的概念变得可视化、可操作化。对于一名正处于职业生涯初期的数字设计工程师而言，这本书无疑提供了一个坚实的理论基石和一套可供借鉴的实战方法论，远超出了我对一本“指南”的期望。

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这本书的文字风格非常具有说服力，与其说它是在教学，不如说它是在进行一场高级别的工程对话。作者的语言精准，用词考究，几乎没有冗余的句子，每一段都信息密度极高。尤其是在讨论模拟与数字接口部分，作者展示了深厚的跨领域功底。他没有像许多纯数字教材那样简单地将数模转换器（ADC）视为一个黑箱模块，而是深入剖析了采样理论在实际电路中的非理想因素影响，比如量化噪声、非线性误差以及热噪声的处理。我尤其关注了关于射频（RF）前端对基带信号完整性的干扰这一小节，作者用简练的数学模型清晰地阐述了串扰的传播机制，并提出了几种有效的隔离和屏蔽策略。这对于从事通信系统集成工作的工程师来说，是至关重要的实操经验。此外，书中对安全和可信赖性设计（Trust and Security）的探讨也紧跟时代前沿，虽然篇幅不长，但对侧信道攻击（Side-Channel Attacks）的防御机制和硬件植入物（Hardware Trojans）的检测方法进行了点到为止但又极具洞察力的论述，显示出编纂者对未来芯片安全威胁的深刻预判。

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初次接触这本大部头时，我最大的担忧是它是否会陷入对现有标准库或特定厂商IP的过度依赖，从而限制读者的思维广度。庆幸的是，作者采取了一种更加基础和普适性的论述方式。全书的脉络清晰地展现了从前端的系统级概念定义到后端物理实现的全景图，但其核心竞争力在于对“为什么”的深入挖掘，而非简单的“怎么做”。比如，在探讨异步电路设计时，作者没有回避其固有的复杂性和设计挑战，反而用一种近乎工程伦理的口吻，剖析了在特定对时间要求极其苛刻的应用领域，异步设计所能带来的颠覆性优势以及必须付出的代价。我特别欣赏其中关于设计验证和可测性设计（DFT）的章节，它们不再是设计流程末端的附加物，而是被提升到了与功能设计同等重要的地位。作者通过一个贯穿始终的虚构项目案例，演示了如何将BIST（Built-In Self-Test）结构无缝集成到寄存器传输级（RTL）代码中，以及如何利用扫描链设计来覆盖关键路径的故障检测。这种将理论模型转化为可执行代码的教学方式，极大地降低了学习曲线，使得读者可以立即在自己的项目中实践这些先进的测试技术。

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这本书的排版和装帧设计体现了一种低调的专业主义，纸张的质感非常适合长时间的阅读和批注，边距留得足够宽敞，方便工程师们在书页空白处记录自己的思考和电路草图。从内容组织上看，作者极大地增强了“跨学科知识的融合性”。以往我阅读的专业书籍往往聚焦于单一的优化维度，但这本书成功地构建了一个多维度的优化平台。举个例子，在讨论定制化处理器的性能提升时，作者将硬件描述语言（HDL）的抽象能力、编译器后端代码生成逻辑，乃至存储器层次结构的设计，都纳入了同一个性能建模框架之中进行综合评估。这种“系统级思维”的训练是极其宝贵的。尤其是关于新兴的存内计算（In-Memory Computing）和类脑计算（Neuromorphic Computing）架构的介绍，作者清晰地界定了当前技术瓶颈所在，并指出了基于现有CMOS工艺下，如何通过巧妙的电路技巧来逼近理想化的非线性运算模型。总而言之，这是一本内容详实、结构宏大且极具启发性的专业参考书，它不仅仅传授知识，更是在培养一种全面的、面向未来的集成电路设计素养。

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要用一句话概括这本书给我的感受，那就是“结构严谨，思维修炼”。它并非那种追求快速入门的速成手册，而更像是一份需要时间沉淀才能完全消化的思想结晶。阅读体验上，插图和图表的质量远超预期，许多复杂的时序图和布局布线示例图都采用了高分辨率的渲染，使得即便是最复杂的时序违例分析，也能一目了然。其中关于先进封装技术（如Chiplet和2.5D/3D集成）的章节，我认为是全书的亮点之一。作者没有停留在对现有商业产品的描述上，而是深入探讨了热管理、异构集成中的I/O延迟模型以及跨Die通信协议的优化方向。这种前瞻性视角，让我意识到这本书不仅适用于解决当前的设计挑战，更是为未来十年芯片设计的演进提供了方法论指导。它促使我重新审视过去习以为常的设计范式，比如，在面对极小特征尺寸的工艺节点时，传统的热点预测模型是如何失效的，以及如何引入更精细的仿真工具链来应对这些新挑战。这本书的价值，在于它不断地在挑战读者的认知边界。

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