应用趋势、器件技术和系统架构驱动着信息技术的发展。然而，随着摩尔定律即将失效，如何确保信息技术未来的持续发展成为一个重大挑战。2016年12月12日，美国计算社区联盟（Computing Community Consortium）发布题为《Arch2030：展望未来15年的计算机架构研究》的报告^[1]，分析了未来计算架构研究的机遇。关键结论包括：

1、实现硬件设计的大众化，填补专业化硬件与应用需求间存在的差距

需要大量计算能力的新兴应用不断出现，像之前那样仅靠改进少数通用计算平台来满足新兴应用性能需求的方法不再可行。因此，部分计算密集型应用领域采用了“专业化硬件设计”的新策略，对能效的提升最高可达10000倍。然而，由于设计和制造专业化硬件的成本过高，专业化设计目前仅在极少数应用领域获得了成功。要维持计算机产业的良性创新循环，关键是要减少专业化应用系统设计的障碍，使基于专业化的能效提升能惠及所有应用。因此，要实现硬件设计的“大众化”，使硬件设计变得像软件设计一样灵活、廉价和开放，缩短通用和专业化系统间的差距。

2、让云成为架构创新的抽象

云计算模式为跨层的架构创新提供了强大的抽象，而这此前只有极少数垂直整合的IT部门能实现。规模化和虚拟化是云计算的两大重要优势。规模化实现了成本的大幅节约，还让专业化计算机架构展现出强大的性能，例如，部署大量高度专业化处理器可以极大加速关键应用，而云的规模化让这一切变得可行。虚拟化使云供应商无需与客户协调就能以更快、更廉价的技术替换处理、存储、网络组件，同时还实现了资源的超额认购，即满足客户对特定资源的不定时、碎片化需求，实现透明共享，极大地降低了云供应商提供IT资源的成本。

3、垂直化设计

3D集成为芯片设计的可扩展性开辟了一条新的途径，使单一系统上能集成更多的晶体管，通过三维布线缩短了互连，并促进了异构制造技术的紧密集成。因此，3D集成提高了能效和带宽，并降低了延迟。然而，3D集成也带来了可靠性、功率与热管理方面的新挑战。

4、物理的重要性与日俱增

摩尔定律的终结要求计算架构发生更根本性的变革，新的器件技术与电路设计技术推动着新架构研发。主要分为两条途径，一是借助更有效的信息编码更好地使用现有材料和器件，更接近于模拟。另一条途径是使用新材料，实现更有效的切换、更紧凑的排列和独特的计算模式。当前比较值得期待的新架构研究方向包括：新的内存器件、碳纳米管、量子计算、超导器件、生物计算等。

5、机器学习成为关键工作

机器学习改变了应用执行的方式，而硬件进展使基于大数据的机器学习成为可能。当前的关注点是云中的机器学习，智能手机、超低功耗传感器节点等低功耗器件中的机器学习应用蕴含了巨大机遇。许多机器学习内核有着相对规律的结构，可适应硬件专业化、重配置和近似技术，为架构创新创造了重要机遇。

计算社区联盟是2006年根据美国国家科学基金会（NSF）和计算研究协会（CRA）的合作协议成立的，其目标是推动计算研究界探讨更广泛、更大胆的研究愿景，并向决策者、政府、产业界、学术界和公众传达这些愿景的重要性，以解决国家和全球面临的紧迫挑战。  （张娟）