沈绪榜，湖南临澧县人，中国科学院院士。历任航天工业部骊山微电子技术研究所副所长、研究员，中国宇航学会第一届理事，现任西安微电子技术研究所研究员。长期从事电子计算机的总体逻辑设计，参加中国大型系列电子计算机的研制，领导运载火箭计算机的总体逻辑设计，其成果1985年获国家科技进步奖特等奖。著有《微型计算机》等。

 

      1970年代发展起来的处理器芯片使计算机的指令集合体系结构（Instruction Set Architecture，ISA）设计转移到了芯片上来,实现了计算机的廉价制造和批量生产，促进了计算机产业和电信产业的发展，使9亿人口进入了知识社会。随着芯片集成度的上升和计算机应用的发展，1987年科学家提出了系统芯片（System On Chip，SOC）的概念，目标是使计算机的设计都演变到SOC设计上来，成为处理器芯片的换代技术。现在，虽然1Petaflops的MPP（Massively Parallel Processing）计算机已经问世，但其一般应用效率只有峰值运算速度的5%—20%，SOC的并行计算模式和体系结构还未演变到成熟的地步。
      现实世界中的不少问题往往是可以用多种算法，按多线程/任务并发地求解的。基于计算机的网络通信，每发送1条短信要涉及到后台服务器的许多线程，特别是在短信峰值时间内，每秒甚至会有数亿个线程并发的工作。并发的应用特征促进了任务/线程级并行（Task/Thread Level Parallel，TLP）计算模式的发展，处理器芯片演变成了多核/众核的CPU系统芯片。许多MPP计算机就是按照TLP计算模式工作的，线程是在处理器（核）上串行执行的，是一种MTMD（Multiple Thread Multiple Data）的粗粒度的并发计算，使线程之间存在同步和互斥问题。
      芯片是在火箭制导控制系统中开始嵌入融合应用的。嵌入式计算机除了处理器之外，传感器实现了人的视觉、听觉与感觉等能力，执行器实现人的四肢等能力。嵌入式计算机处理的大量信息主要是视觉信息，促进了图像处理的细粒度并行的数据级并行（Data Level Parallel，DLP）计算模式的发展，开发出了DLP计算模式的SIMD/Multi-SIMD的GPU（Graphic Processing Unit）系统芯片。实际应用说明，DLP计算模式的GPU系统芯片，完成地震成像等数据并行算法的计算效率，要比CPU系统芯片的高百倍。于是，不仅有了DLP计算模式的MPP计算机，而且有了TLP+DLP计算模式的MPP计算机。由于现在的CPU系统芯片和GPU系统芯片的体系结构是不同的，TLP+DLP计算模式的MPP计算机存在着不同芯片之间的比例分配和数据传输问题。因此，有了通用的GPU，也就是所谓GPGPU系统芯片的研究。
      对于非数据并行算法，现在只有OLP（Operation Level Parallel）计算模式的ASIC/FPGA等阵列芯片，可以使操作流水的深度和操作并行的长度都没有限制。实际应用说明，ASIC/FPGA等阵列芯片对非数据并行算法的计算效率，要比CPU系统芯片的高百倍。阵列芯片常用作芯片设计的模拟器和MPP计算机的协处理加速器,因为算法是通过电路设计/逻辑设计映射到这些阵列芯片上的，没有指令流的编程灵活性。
      计算机自问世之后首先是作为模拟工具使用的，计算模拟推动了MPP计算机的发展，已经有了1Petaflops计算速度的MPP计算机，1Exaflops计算速度的MPP计算机正在研制之中；据估计，化学研究将需要1Zettaflops的计算速度。由于TLP、DLP、OLP这3种计算模式的芯片体系结构是不统一的，没有减轻甚至加重了MPP计算机的“效率墙”、“编程墙”、“功耗墙”、“存储墙”和“通信墙”等问题。
      计算机是用来研究我们周围的一切事物的，人们可感知的3维空间中的事物是随一维时间而连续演变的；从应用上，SOC体系结构应该是与事物的四维时空演变自然统一的。SOC体系结构是应用和实现之间的桥梁，从实现上，SOC体系结构也应该是与制造技术的演变自然统一的。按照摩尔定律的应用实质，芯片制造技术的基础作用就是使计算机和电子产品变得更小、更轻、更冷、更快和更经济智能。一次集成的芯片技术是以减小特征尺寸而延长摩尔定律的，研究表明每10年就会出现一代更小和更廉的计算机。现在的芯片集成度已高达10多亿晶体管，为阵列存储器（array memory）和阵列处理器（array processor）的研制创造了条件。但65nm之后开始出现了漏电流、线延迟和故障率等所谓的红墙（Red brick Wall）问题，还有特征尺寸的极限问题。为了延长摩尔定律，除了研发晶体管新架构以降低功耗外，IBM、Intel与Samsung等公司还开发了二次集成的TSV（Through-Silicon-Via）技术，可使芯片的互连线缩短1000倍，引出头增加100倍。美国休斯公司在1987年10月就采用了这种一次和二次集成技术自然统一的发展策略，在3?滋m CMOS工艺的基础上，开发了WSI（Wafer Scale Integration）技术和TSV技术，研制成功了一种航空航天图像处理的32×32个16位的定点PE阵列的SIMD体系结构的MPP计算机，体积只有手掌大小。
      1994年开始，我们也研制了16位字长的有32个处理元的每秒3.2亿次的阵列处理器芯片，和单指令流的4096个处理元的SIMD体系结构的MPP计算机。按照现在的自然统一的一次和二次集成技术，我们将1966年Flynn提出的SISD、SIMD、MISD和MIMD等4种体系结构加以合并，提出了单指令流SI(SD+MD)=SISD+SIMD的DLP计算模式，与多指令流MI（SD+MD）=MISD+MIMD的指令级并行（Instruction Level Parallel，ILP）计算模式；研究了以阵列处理器和数据阵列（数组）存储器为基础，实现单指令流的DLP计算模式的SOC体系结构设计。在这种DLP计算模式的SOC体系结构的基础上，把数组存储器也作为多指令流的ILP计算模式的指令阵列（指组）存储器使用；使阵列处理器也可以完成的多指令流的ILP计算模式，并能等效地取代OLP计算模式，于是就实现了ILP计算模式的SOC与DLP计算模式的SOC体系结构的自然统一，把TLP计算模式在CPU系统芯片上粗粒度并发的低效计算，转化为DLP+ILP计算模式统一的SOC上细粒度并行的高效计算。
      芯片是知识社会的技术要素，计算机和电子产品的经济性和发展前景，都体现在芯片的技术含量中。但在我国的进口产品中，芯片还是占用外汇最多的项目。有理由相信，在“十六专项”战略任务的牵引下，抓住SOC体系结构尚需统一的发展机遇，研究系统芯片的自然统一，实现国产芯片的跨越式发展，是能打破国外芯片的垄断局面的。