0 寫在前面

🔥接觸人工智能領域，除了要理性地學習各種演算法，還要對行業內的基本發展歷程和規律有感性的認識和了解，才能對領域有更深刻的理解(和外行科普也有得聊)，本文主要羅列計算機領域的幾條重要定律，

1 摩爾定律(Moore’s Law)

Moore’s Law指IT產業的硬體或設備生產商的技術每十八個月翻一番，或者說相關技術涉及的產品每十八個月價格下降一半，與之對應，Reverse Moore’s Law指一個IT公司如果今天和十八個月前賣掉同樣多的、同樣的產品，它的營業額就要降一半，

Moore’s Law& Reverse Moore’s Law告知所有IT行業：發展速度必須至少與摩爾定律的預測速度持平，否則整個企業就會面臨虧損，這也使得IT行業與石油工業、飛機制造業等量變工業不同，IT行業必須在預測周期內尋求革命性和創新性的技術突破，否則優勝劣汰，因此兩大定律促成了IT行業科技的不斷進步，也避免了壟斷的產生，為新興企業的生存和發展提供了可能，

Moore’s Law& Reverse Moore’s Law是整個人類社會發展速度在IT行業的反映，是指導公司和科研機構制定研究計劃和市場策略的重要指導，

目前Moore’s Law& Reverse Moore’s Law仍然有效，考慮如果其預測周期放緩或是失效，那么將對所有依賴于更高級芯片的行業（如AI行業）的發展換代都造成空前影響

2 阿姆達爾定律(Amdahl’s Law)

Amdahl’s Law指出：系統中對某一部件采用更快執行方式所能獲得的系統性能改行程度，取決于這種執行方式被使用的頻率，或所占總執行時間的比例，

若系統由若干個單項組成，每項占比 a i a_i ai?，每個單項可提速 k i k_i ki?倍(對于不可提速的組件，其 k i = 1 k_i=1 ki?=1)，則整個系統的加速比為：
S = 1 ∑ i a i k i S=\frac{1}{\sum_i{\frac{a_i}{k_i}}} S=∑i?ki?ai??1?

例2.1 根據SPEC CPU2000標準，其包含25% loads、10% stores、11% branches、2% jumps、52% R-type，現對該CPU進行優化，優化前后見例表，問：
(1) CPU優化后的整體提速比為多少；
(2) 優化后的平均CPI為多少，

(1) 由Amdahl’s Law知，提速比為：
S = 1 ∑ i a i k i = 1 ( 25 % 5 5 + 10 % 5 4 + 11 % 5 3 + 2 % 5 3 + 52 % 5 4 ) = 1.21359 S=\frac{1}{\sum_i{\frac{a_i}{k_i}}}=\frac{1}{\left( \frac{25\%}{\frac{5}{5}}+\frac{10\%}{\frac{5}{4}}+\frac{11\%}{\frac{5}{3}}+\frac{2\%}{\frac{5}{3}}+\frac{52\%}{\frac{5}{4}} \right)}=1.21359 S=∑i?ki?ai??1?=(55?25%?+45?10%?+35?11%?+35?2%?+45?52%?)1?=1.21359

(2) 平均CPI為：
A v r C P I = ( 11 % + 2 % ) × 3 + ( 52 % + 10 % ) × 4 + 25 % × 5 = 4.12 AvrCPI=\left( 11\%+2\% \right) \times 3+\left( 52\%+10\% \right) \times 4+25\%\times 5=4.12 AvrCPI=(11%+2%)×3+(52%+10%)×4+25%×5=4.12

3 軟硬體互易性原理

軟硬體互易性原理又稱為軟硬體邏輯功能等效性，是指計算機系統的某功能可以由硬體實作也可以由軟體實作，

如圖所示，對任何一個真實的、技術可實作的計算機系統，都需要有最基礎的一薄層硬體來實作，這一最基礎的硬體實作了圖靈機模型的要求，圖靈機等價硬體之上大部分都是各種硬體加速手段，圖中說明了軟硬體之間的關系：

(1) 硬體和軟體互相依存

硬體是軟體賴以作業的物質基礎(圖靈機等價硬體部分)，軟體的正常作業是硬體充分發揮作用的唯一途徑，

(2) 硬體和軟體無嚴格界線

隨著計算機技術的發展，在許多情況下計算機的某些功能既可以由硬體實作，也可以由軟體來實作，硬體就是數字邏輯電路的組合，軟體通過編譯成機器代碼即0-1電平序列作為硬體的輸入，使硬體實作特定的功能，而這個程序也可以不借助軟體而直接通過數字電路實作，因此，硬體與軟體在一定意義上說沒有絕對嚴格的界面，是邏輯等效的，例如MP3既可以用軟體的播放器播放，也可用專用的音頻解碼芯片解碼實作播放，

(3) 硬體和軟體協同發展

計算機軟體隨硬體技術的迅速發展而發展，而軟體的不斷發展與完善又促進硬體的更新，兩者密切地交織發展，缺一不可，

對一個具體的計算機系統而言，軟硬體的分割線在哪里，主要取決于性能和成本之間的折衷，由于軟體實作功能需要經過編譯，因此使用軟體比硬體效率低，但隨著技術發展，軟體完全可以通過固化為硬體(如實作特定功能的芯片)來提升系統的性能，這樣避免了編譯環節，使硬體電路可以直接讀取指令，因此如果要求高性能，那么硬體加速的部件可以多些，相應成本也不可避免會增加；如果要求低成本，那么圖中曲線可以下移，即用軟體完成大部分處理，但性能會有所下降，

4 抽象與3Y原則

下圖給出了一個電子計算機系統的抽象層次，其中每個層次都列舉了典型模塊，抽象的意義在于便于不同型別的用戶，對計算機進行使用和開發，例如普通用戶可以通過計算機上網，而不用考慮電子波動；硬體工程師不用關注應用軟體設計等，

最底層的抽象是物理層——電子運動：電子的行為由量子力學和麥克斯韋方程描述；基于電子運動的物理規律，組成晶體管、真空管等電子器件，這些器件都有明確定義的稱為端子的外部連接點，可以建立每個端子上的電壓、電流關系模型，

模擬電路抽象層由器件組成的放大器等組件構成；數字電路則將電壓控制在離散的范圍內，以便表示0-1二值；通過邏輯門等數字電路可以進行邏輯功能設計，構造更復雜的功能結構，例如加法器或存盤器，

體系結構層描述了程式員觀點的計算機抽象，其定義了一套指令系統和暫存器，程式員可以使用這些指令和暫存器；微體系結構將邏輯層的元素組合在一起實作體系結構中定義的指令，其是邏輯和體系結構的溝通橋梁，另外，一個特定的體系結構可以有不同的微結構實作方式，以便取得在價格、性能和功耗等方面的不同折中，例如Intel Core i7、In-tel 80486和AMD Athlon等都是x86體系結構的三種不同的微結構實作，

除抽象外，設計者還使用三條準則來處理系統復雜性，這些原則對軟硬體設計都通用，

①層次化：將系統劃分為若干模塊，然后更進一步劃分每個模塊直到這些模塊可以很容易理解；

②模塊化：所有模塊有定義好的功能和介面，以便它們之間可以很容易地相互連接而不會產生意想不到的副作用；

③規整化：在模塊之間尋求一致，通用模塊可以重復使用多次，以便減少設計不同模塊的數量，

5 區域性原理

時間區域性原理：當CPU訪問一個存盤位置時，大概率在不久的將來會再次訪問同一位置，程式的回圈結構和程序呼叫體現了時間區域性，

空間區域性原理：當CPU訪問一個存盤位置時，大概率在不久的將來會訪問該位置附近的存盤單元，因為計算機中的資料通常被連續存放于記憶體，程式的順序結構體現了空間區域性，