计算机体系结构的历史演进¶

历史不是型号年表，而是观察“瓶颈如何迁移”的实验记录。每一代设计都在解决当时最昂贵的问题，同时把新的复杂性推到下一代。

从专用接线到存储程序¶

早期机器常需重新接线或设置开关来改变任务。存储程序思想把指令也编码为内存中的数据，CPU 依次取指和执行。程序由此可以被加载、复制和修改，通用计算机才真正成为软件平台。

冯·诺依曼结构让指令和数据共享存储通路，结构简单，却形成“冯·诺依曼瓶颈”：处理器算得越来越快，取指和访存带宽却有限。现代 cache、预取和宽总线都在缓解这条老问题。

真空管被晶体管替代后，器件更小、更可靠；集成电路又把大量器件和连线放到同一芯片。微处理器把 CPU 集成到单芯片，成本下降，个人计算和嵌入式系统迅速扩张。

摩尔定律描述可经济集成的晶体管数量长期增长，Dennard 缩放曾使晶体管变小后功耗密度大致可控。设计者可以通过提高频率、加深流水线和增加复杂执行单元，让单线程性能持续提升。

存储昂贵、编译器不成熟时，复杂指令可提高代码密度并减轻软件负担，形成 CISC 路线。随着集成度提高和编译技术进步，RISC 强调规则编码、较少寻址方式和 load/store 结构，便于流水化和硬件实现。

今天二者边界已模糊：x86 处理器常把复杂指令译成内部微操作；RISC-V 的压缩、向量和原子扩展，以及 Arm 的 Thumb 编码、SVE/SME，也说明现代“RISC”会为代码密度和专用并行不断扩展 ISA。真正有用的问题不是“谁绝对更好”，而是接口复杂性由软件、译码器还是执行核心承担。

频率越高，动态功耗通常越大：

\[ P_{dynamic} \approx \alpha C V^2 f. \]

其中 \(\alpha\) 是翻转活动因子，\(C\) 是等效电容，\(V\) 是电压，\(f\) 是频率。电压不再容易同步下降后，继续拉高频率会遇到散热和能效限制。于是芯片把更多晶体管用于多核、更大 cache、向量单元和专用加速器。

这次转向的代价是并行性被推给软件：两个核心并不自动让串行程序快两倍，数据划分、同步和一致性成为新瓶颈。

GPU、张量处理器和视频编解码器用较低灵活性换取更高能效。它们往往扩大规则并行度，减少复杂控制，把芯片面积用于更多算术单元或本地存储。

适用条件是工作负载足够稳定、并行结构清晰、数据搬运可控。若算法频繁变化或控制流高度不规则，专用化收益会被开发成本和低利用率抵消。

改进不会消灭成本，只会移动成本：

理解这条规律，比记住某代 CPU 的参数更能迁移到未来架构。