Moore’s Law
每經過 18 至 24 個月，同等體積的晶片可以容納兩倍數數量的電晶體 (指數成長)。
8 個重要的想法
- Design for Moore’s Law
由於晶片設計可能需要數年時間，每顆晶片的可用資源很容易在研發完成時翻倍，架構師必須預測當設計完成時，最先進的技術將在落哪裡，而不是固守剛開始設計時的技術程度。但近幾年摩爾定律遇到瓶頸，可能不那麼適用了。 - Use Abstraction to Simplify Design
隱藏底層的細節以在高階工具提供更簡單的介面給工程師使用，也就是底層工程師專心在處理底層優化的問題，高階工程師利用介面開發大型、複雜的電路或演算法。 - Make the Common Case Fast
常見的 case 因為出現頻率高，優化後所帶來的效益是比優化 rare case 倍數增加的，所以我們應該優先優化 common case。 - Performance via Parallelism
平行運算是很常見的優化方式 - Performance via Pipeline
流水線是很常使用的優化法，核心概念是將一個大動作拆分成一個一個小步驟，並且一個指令可以在流水線的每一步停駐一陣子，而流水線上的每個步驟可以同時執行，就像製造廠的生產線一樣。 - Performance via Prediction
預測下一個指令，提早載入下一個資源，可以優化迴圈的執行效率。 - Hierarchy of Memories
越快的儲存體通常越貴，若整部電腦都用最貴的儲存體，價格會讓一班企業和民眾負荷不了，所以我們將儲存體分層，最貴的作為快取和記憶體，便宜的作為硬碟。執行指令時，將所需資源拉進快取以加速存取，提升效能；不需要該資源就將其存入硬碟永久保存。 - Dependability via Redundancy
任何物理設備都可能故障，我們需要設計冗餘的組件，確保故障發生時，電腦可以保持最低限度的運轉，就像大型拖車爆胎時，司機可以藉由備用輪胎，趕緊開去維修站修理。
Below Your Program
電腦程式執行的的流程大致為:
- 應用軟體 (以高階語言撰寫)
- 系統軟體 (包含作業系統、編譯器)
- 硬體 (處理器、記憶體、輸入輸出裝置)
程式語言區分為:
- 高階語言 (c, c++, java, python, … 便於理解、功能強大的語言)
- 組合語言 (mips, x86, arm, … 將指令翻譯為人可以理解的語言)
- 機器語言 (由 0 和 1 組成，只有電腦讀得懂的語言)
晶片生產過程
將矽濃縮提煉成柱狀的矽晶棒，接下來將矽晶棒切片變成矽晶圓，塗上各種材料後，在上方放光罩進行光刻，然後經過測試、分類、封裝便成為電腦裡的晶片。
效能
時間計算
- wall clock time、response time、elapsed time: 執行一個任務所花的時間，等同於現實中使用者體感的時間差。
- cpu time: cpu 執行任務消耗的時間 (不包含 I/O)，如果是多核心一起執行任務，每個核心的 cpu time 會單獨計算，最後再加總，所以有可能發生 cpu time 大於 wall clocktime。
效能定義，其中 Execution Time 視需求使用 wall clock time 或 cpu time:
\[Performance_X = \dfrac{1}{Execution\ Time_X}\]效能比較，X 的效能為 Y 的 n 倍:
\[\dfrac{Performance_X}{Performance_Y}=\dfrac{Execution\ Time_Y}{Execution\ Time_X}=n\]CPU 計時
- Clock Period: CPU 計時的最短周期，即 1 個 Cycle 耗費的時間，如: 250ps = 0.25ns = 250×10–12s
- Clock Frequency、Clock Rate: 一秒鐘有多少 Cycle，如 4.0GHz = 4000MHz = 4.0×109Hz
- Cycle per Instruction、CPI: 執行一個指令耗費的 Cycle 數
達成優化的方法無非提高 Clock Rate 或是減少 Clock Cycle，其中 Clock Cycle 可以分解為以下:
\[Clock\ Cycles=Instruction\ Count \times CPI\]因此將 CPU Time 重新寫為
\[\begin{align*} CPU\ Time &=Clock\ Cycle \times Clock\ Period \\ &=Instruction\ Count \times CPI \times Clock\ Period \\ &=\dfrac{Instruction\ Count \times CPI}{Clock\ Rate} \end{align*}\]範例:
功耗
在 CMOS 中，單一次通過電晶體需要消耗:
\[Energy=\dfrac{1}{2}CV^2 \\ Power=\dfrac{1}{2}CV^2f\]受到功耗、發熱量限制，現在的處理器不再以提高頻率為主要目標，而是往多核心以及提升快取速度發展
Amdahl’s Law
\[T_{improved}=\dfrac{T_{affected}}{improvement\ factor}+T_{unaffected}\]舉例
