前　　言The Physics of Computing本書試圖從更廣泛、更基礎(chǔ)的角度來描述計(jì)算機(jī)工程。一直以來，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的都是示例驅(qū)動的方法，大量軟件都遵循從理論到實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)過程——比如排序算法。以前，我們并不能十分確定計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一些關(guān)鍵問題，因此需要針對特定的系統(tǒng)需求進(jìn)行分析研究，但是現(xiàn)在，我們已經(jīng)能夠?qū)ζ渲械脑S多問題進(jìn)行普適描述。本書中計(jì)算機(jī)工程設(shè)計(jì)方法的核心則是那些更基礎(chǔ)的理論。
數(shù)字系統(tǒng)的基本原理是我們學(xué)習(xí)的重中之重，因?yàn)楝F(xiàn)在我們已經(jīng)很難再觸摸到或看到邏輯電路層面的操作。當(dāng)我還是學(xué)生的時候，大多數(shù)系統(tǒng)由電路板搭建而成，而電路板則由小規(guī)模集成（SSI）邏輯電路和中規(guī)模集成（MSI）邏輯電路組成。我們當(dāng)時別無選擇，必須通過分析電路和信號波形來解決問題。而現(xiàn)在，所有東西都隱藏在一塊芯片里面，即使對于電路板來說，連線也更細(xì)并且更難以分析。今天，許多學(xué)生只知道芯片中處理的是“0”和“1”，而對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的電壓與電流毫無概念。
本書并不要求學(xué)生設(shè)計(jì)任何東西，而是將帶領(lǐng)學(xué)生研究決定計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)空間的基本原理。我認(rèn)為這些基本原理相對于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)就像控制面板上的旋鈕相對于儀表一樣：改變旋鈕的設(shè)置會導(dǎo)致儀表數(shù)值發(fā)生變化，并且一個旋鈕可能會影響幾個儀表數(shù)值。想想看，這就像是降低MOS電介質(zhì)厚度之后的連鎖效應(yīng)：晶體管跨導(dǎo)發(fā)生變化，進(jìn)而縮短門電路的延遲，卻增大了泄漏電流。
工程師不能只在理想情況下進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，而應(yīng)該關(guān)注一系列的指標(biāo)或需求。計(jì)算機(jī)架構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)典指標(biāo)是性能，或者更準(zhǔn)確地說是吞吐量。但實(shí)際設(shè)計(jì)時還必須兼顧一些其他指標(biāo)，其中最重要的就是能耗以及可靠性。性能、功耗和可靠性都是底層物理現(xiàn)象的基礎(chǔ)，并與物理實(shí)現(xiàn)有著千絲萬縷的聯(lián)系：改善其中一個指標(biāo)可能會導(dǎo)致其他指標(biāo)惡化。就像一句老話，天下沒有免費(fèi)的午餐，這也同樣適用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域。
計(jì)算機(jī)工程是一個相對較新的研究領(lǐng)域，剛開始時往往專注于如何設(shè)計(jì)與歸類——如實(shí)現(xiàn)某個系統(tǒng)，或者通過不同方式實(shí)現(xiàn)某個系統(tǒng)。隨著該領(lǐng)域的逐漸成熟，現(xiàn)在可以開始研究其基本原理了。生物學(xué)家E. O. Wilson曾說過，“一個領(lǐng)域最初由提出的問題定義，但最終則由這個問題的答案確定�！庇�(jì)算機(jī)工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域經(jīng)過70年的發(fā)展，是時候開始思考這個答案了。
我關(guān)注計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域很長時間了。多年來，性能一直是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)最重要的指標(biāo)，當(dāng)然，在ASIC設(shè)計(jì)領(lǐng)域則更關(guān)注面積（也就是成本）。在Perry Cook教授和我開設(shè)的關(guān)于普適信息系統(tǒng)的課程中，我開始更加認(rèn)真地考慮其他限制因素，特別是功耗。佐治亞理工學(xué)院的這門新課程推動我把這一思路完善成合乎邏輯的結(jié)論。
這門課程涵蓋了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)與物理實(shí)現(xiàn)。一些在計(jì)算機(jī)架構(gòu)甚至軟件設(shè)計(jì)中最基本的現(xiàn)象，比如內(nèi)存墻、電源墻、快速暗場（race to dark）等問題，都與其物理基礎(chǔ)有關(guān)。要想理解這些專業(yè)的計(jì)算問題，僅有肖克利半導(dǎo)體理論是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，我們還需要了解熱力學(xué)、靜電學(xué)以及大量的電路理論知識。
當(dāng)我思考本書內(nèi)容時，我意識到玻耳茲曼常數(shù)k是一個關(guān)鍵概念。k隨處可見：二極管方程、阿倫尼烏斯方程、溫度等，數(shù)不勝數(shù)。玻耳茲曼常數(shù)將溫度和能耗聯(lián)系在一起，因此它理所應(yīng)當(dāng)?shù)嘏c本書主題緊密相關(guān)。
本書中的某些內(nèi)容僅針對現(xiàn)代CMOS技術(shù)，比如漏電機(jī)制，而其他內(nèi)容則可能適用于大量電路與元器件技術(shù)。對于計(jì)算機(jī)工程師而言，即使CMOS被其他技術(shù)所取代，邏輯線網(wǎng)延遲、亞穩(wěn)態(tài)以及可靠性基礎(chǔ)也仍然屬于應(yīng)掌握的基礎(chǔ)知識。
一些讀者可能會覺得本書中的部分內(nèi)容過于簡單和精練，但我希望這些讀者能夠在本書的其他部分找到濃縮和高深的感覺。理解計(jì)算機(jī)工作原理的唯一途徑就是了解所有相關(guān)主題之間的關(guān)聯(lián)，即使在剛開始時關(guān)聯(lián)性表現(xiàn)得并不明顯。我們知道設(shè)計(jì)過程中的一些關(guān)鍵點(diǎn)是相互聯(lián)系的，因?yàn)楫?dāng)調(diào)節(jié)其中一個參數(shù)來優(yōu)化設(shè)計(jì)時，卻往往發(fā)現(xiàn)其副作用會抵消其他優(yōu)勢。本書將用盡可能簡單的方式來描述概念，希望讀者能夠?qū)λ鼈冇谢�本的了解。感興趣的讀者可以自行深入學(xué)習(xí)，不過本書的主要目的是為計(jì)算機(jī)物理實(shí)現(xiàn)提供統(tǒng)一的描述。
本書同時適用于計(jì)算機(jī)工程師和電子工程師。但這兩類讀者具有的知識背景差異很大：計(jì)算機(jī)工程師往往缺乏電路設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，即便他們知道基爾霍夫定律，但仍不擅長電路分析；而電子工程師則往往對計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)所知甚少。本書寫作過程中的一個挑戰(zhàn)就是為每一類讀者都提供足夠多的知識背景。
本書涵蓋了大量的發(fā)現(xiàn)史和發(fā)明史。首先，回顧那些影響當(dāng)下技術(shù)的設(shè)計(jì)方案，能夠使我們認(rèn)識到一個問題總有多種解決方案，并且能夠令我們關(guān)注那些經(jīng)過歷史沉淀下來的方案的真正優(yōu)勢。其次，20世紀(jì)一些最重要的發(fā)明都來自于半導(dǎo)體物理和計(jì)算機(jī)工程領(lǐng)域。這些發(fā)明在未來的幾個世紀(jì)里仍然有用，但我們不能因?yàn)榱?xí)慣了而忘記對這些發(fā)明以及發(fā)明家致以深深的敬意。
本書的最初靈感來源于Richard Feynman所著的《Lectures on Computing》一書，但那本書主要講述量子計(jì)算，并沒有考慮太多傳統(tǒng)計(jì)算領(lǐng)域的問題。比如，F(xiàn)eynman并沒有提及的亞穩(wěn)態(tài)其實(shí)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個基本物理現(xiàn)象。我們對Feynman在計(jì)算機(jī)物理本質(zhì)方面的早期認(rèn)知致以崇高的敬意，并感謝他所著的《Lectures on Physics》一書，這本書為我們認(rèn)識計(jì)算機(jī)底層的基本物理現(xiàn)象提供了一個清晰且簡潔的思路。
本書在寫作過程中得到了許多人的幫助，他們是：我的朋友及同事Saibal Mukhopodhyay開設(shè)了“Physical Foundations of Computer Engineering”課程，他提供了許多具體建議，尤其在可靠性及漏電機(jī)制方面，在此對他的耐心及洞察力表示衷心的感謝；Dave Coelho慷慨地提供了有關(guān)配電系統(tǒng)的相關(guān)信息；Kees Vissers提出了弧焊機(jī)電流比較法；Alec Ishii在時鐘分配方面提供了建議；Kevin Cao給出了如何最有效地利用預(yù)測技術(shù)模型（Predictive Technology Model）的建議；Bruce Jacob對DRAM提供了見解；Srini Devadas為附錄D提供了建議；Tom Conte提供了關(guān)于內(nèi)核存儲、Pentium Pro的內(nèi)容，并針對當(dāng)今及未來計(jì)算展開了討論。感謝審稿人的寶貴意見，感謝編輯Nate McFadden為本書的開發(fā)及出版提供的指導(dǎo)意見。若你發(fā)現(xiàn)本書中的任何錯誤，可以直接聯(lián)系我。
瑪里琳·沃爾夫（Marilyn Wolf）亞特蘭大