學術生涯

約翰·科克生于1925年，1946年在杜克大學(Duke University)獲得機械工程學士學位，干了幾年實際工作以后，又回到母校讀研究生，于1956年取得數(shù)學博士學位。之后，他進入IBM，從此開始了他的計算機生涯并為IBM計算機市場的開拓和計算機科學技術的發(fā)展做出了巨大的貢獻。由于學過機械和數(shù)學，基礎扎實、知識面廣，加上科克興趣廣泛，善于動腦，他在IBM許多產品的設計開發(fā)和技術問題的解決中都起過至關重要的作用，有眾多的發(fā)明創(chuàng)造。在沃特森研究中心，在很長一段時間里，每當人們有疑難問題需要解決的時候，自然就會說：“找約翰討論去”。事實上，科克也總能提出有益的建議，因而受到其同事的普遍敬仰和尊重。Cocke在IBM公司從事的第一個項目是研究Stretch計算機（世界上第一個“超級計算機”型號），他很快成為大型機專家。1974年，Cocke和他領導的研究小組開始嘗試研發(fā)每秒能夠處理300線呼叫的電話交換網絡。為了實現(xiàn)這個目標，他不得不尋找一種辦法來提高交換系統(tǒng)已有架構的交換率。1975年，John Cocke研究了IBM370 CISC（Complex Instruction Set Computing，復雜指令集計算）系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)占總指令數(shù)20%的簡單指令發(fā)出了80%程序調用，而占總指令數(shù)80%的復雜指令卻只有20%的機會被用到。由此，他提出了RISC的概念，其中心思想就是簡化硬件設計，硬件只執(zhí)行一部分很有限的最常用的指令，大部分復雜的操作則使用成熟的編譯技術，由簡單指令合成。RISC的最大特點是指令長度固定，指令格式種類少，尋址方式種類少，大多數(shù)是簡單指令且都能在一個時鐘周期內完成，易于設計超標量與流水線，寄存器數(shù)量多，大量操作在寄存器之間進行。 1980年，Cocke在IBM位于約克城（Yorktown）的華生研究中心（Watson Research Center）里開始研制IBM801（PowerPC的前身），第一臺RISC機器也就作為801微電腦項目的一部分最終開發(fā)成功。自RISC技術推出以來，由于其優(yōu)化指令系統(tǒng)帶來運算速度提高的優(yōu)勢，使得RISC技術在1980年代后期，逐漸在高端服務器和工作站領域中取代了CISC 成為主流微處理器設計架構之一。各個具備一定技術實力的廠家開始在這個架構上研發(fā)出自己的處理器，經過近二十年的發(fā)展，各大型計算機和超級服務器都采用 RISC架構的處理器?，F(xiàn)在，RISC處理器已經成為高性能計算機的代名詞。

貢獻成就

科克的貢獻和成就首先是在高性能計算機的體系結構方面?？瓶耸荌BM60年代推出的晶體管大型計算機，也是世界上第一個“超級計算機”(Supercomputer)型號STRETCH的技術負責人。Stretch包含15萬只晶體管，其速度比IBM上一個主流計算機型號IBM704快75倍。STRETCH首創(chuàng)的靈活的尋址技術、指令提前執(zhí)行(即流水線技術)、差錯校正碼ECC(Error Correcting Code)等至今仍被廣泛使用著。Stretch共生產了8臺，被洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)國家實驗室(這是研制出了世界上第一顆原子彈的著名的原子能研究中心)等機構所采用。70年代中期，科克又主持了一個801計算機項目(或叫“80號大樓”項目，這是IBM的傳統(tǒng)，按研制小組所在建筑物命名項目)。801計算機原是為每小時能處理100萬次呼叫的全數(shù)字電話交換機設計的專用機，但實現(xiàn)中被發(fā)展為一種具有小指令集、每個指令都是單地址、有固定格式、以流水線方式重疊執(zhí)行、指令高速緩存和數(shù)據(jù)高速緩存則分開并互相獨立的一種超級通用小型機。IBM推出的這種體系結構引起加州大學伯克利分校的D.Patterson和斯坦福大學的J.Hennessy的極大興趣和重視，經過進一步研究、改進和發(fā)展，最后形成為一種嶄新的計算機體系結構，即大家熟知的“精簡指令集計算機”RISC (Reduced Instruction Set Computer)。因此，RISC這個名詞雖然是1980年由Patterson提出的，但學術界公認科克是RISC概念的首創(chuàng)者。除了計算機體系結構以外，科克在編譯器的優(yōu)化方面，也有很多重要貢獻。在高級語言編譯器發(fā)展的初期，技術上不夠成熟，生成的目標代碼大，執(zhí)行效率低，影響了高級語言的推廣應用?？瓶藢幾g器的代碼生成技術進行了深入研究，提出了一系列優(yōu)化方法，如過程(Procedure)的集成、循環(huán)(loop)的變換、公共子表達式(common subexpression)的消除、代碼移動(code motion)、寄存器定位、存儲單元重用等等，編譯器的質量大大提高，使編譯技術發(fā)展到一個新階段?？瓶嗽谄渲骶幍摹陡鞣N變換的優(yōu)化方法》 (《A Catalog of Optimizing Transformations》，Prentice Hall,1972)中詳細介紹了這些方法。此外，科克在磁記錄技術、機器翻譯的統(tǒng)計方法等方面也都有過創(chuàng)造和發(fā)明。在獲得圖靈獎以前，科克于1985年獲得過ACM的另一個獎項：Eckert Mauchly獎。這個獎是1979年紀念世界上第一臺電子計算機ENIAC的兩位設計者而設立的，主要用來獎勵在計算機體系結構方面作出杰出貢獻的科學家。1991年，科克又榮獲美國全國性的技術創(chuàng)新獎章“National Medal of Technology”。不知什么原因，科克沒有出席圖靈獎頒獎儀式，而由他的同事A.Peled代為領獎并致詞。但科克發(fā)表了書面的圖靈獎演說，題為“對科學處理器性能的探索”(“The search for Performance in Scientific Processors”)?？瓶嗽跁嫜菡f中回顧了他一生追求高性能計算機的歷程，認為對計算機性能影響最大的三個因素是算法、編譯器和機器組織。雖然他本人從事的是有關機器組織和編譯器方面研究工作的，但他認為，這三者中，算法的改進是最重要的。Peled的致詞和科克的書面演說全文刊載于1988年3月號的《Communications of ACM》 。

榮譽

“IBM小子”，是RISC（Reduced Instruction Set Computer，精簡指令系統(tǒng)計算機）架構設計師——John Cocke，在1972年得到的IBM公司頒贈給內部員工的最高榮譽稱號。在IBM以外，他也受到廣泛的認可，獲得無數(shù)獎項，其中代表性的有：ACM圖靈獎（1987）IEEE計算機先驅獎（1989）美國國家技術獎章（1991）美國國家科學獎章（1994）IEEE約翰·馮諾依曼獎（1994）國家技術勛章和國家科學獎是美國最具榮耀的兩項政府大獎，在作為科學家的一生中，他在高性能系統(tǒng)設計中取得的革命性進步，Cocke為信息技術的發(fā)展做出了獨一無二的創(chuàng)造性貢獻。在系統(tǒng)架構和編譯器優(yōu)化研究領域取得了大量進步，他當之無愧地成為編譯器優(yōu)化的奠基人和革新帶頭人。

評價

從1957到1992年，John Cocke在工作中把自己近40年的精力毫無保留地奉獻給了IBM，他取得了了不起（amazing）的成績”，Cocke的同事兼密友Peter Capek這樣評價他：“他的經歷非同一般。他因為計算機架構而聞名，但他對很多領域同樣充滿濃厚興趣。包括邏輯模擬（logic simulation）、編碼理論（coding theory）和編譯器優(yōu)化（compiler optimization），他都可以把這些技術當成藝術來研究。”

關于RISC

簡介RISC（reduced instruction set computer，精簡指令集計算機）是一種執(zhí)行較少類型計算機指令的微處理器，起源于80年代的MIPS主機（即RISC機），RISC機中采用的微處理器統(tǒng)稱RISC處理器。這樣一來，它能夠以更快的速度執(zhí)行操作（每秒執(zhí)行更多百萬條指令，即MIPS）。因為計算機執(zhí)行每個指令類型都需要額外的晶體管和電路元件，計算機指令集越大就會使微處理器更復雜，執(zhí)行操作也會更慢。紐約約克鎮(zhèn)IBM研究中心的JohnCocke證明，計算機中約20%的指令承擔了80%的工作，于1974年，他提出RISC的概念。第一臺得益于這個發(fā)現(xiàn)的電腦是1980年IBM的PC/XT。再后來，IBM的RISCSystem/6000也使用了這個思想。RISC這個詞本身屬于伯克利加利福尼亞大學的一個教師David Patterson。RISC這個概念還被用在Sun公司的SPARC微處理器中，并促成了現(xiàn)在所謂的MIPS技術的建立，它是Silicon Graphics的一部分。許多當前的微芯片現(xiàn)在都使用RISC概念。RISC概念已經引領了微處理器設計的一個更深層次的思索。設計中必須考慮到：指令應該如何較好的映射到微處理器的時鐘速度上（理想情況下，一條指令應在一個時鐘周期內執(zhí)行完）；體系結構需要多“簡單”；以及在不訴諸于軟件的幫助下，微芯片本身能做多少工作等等。除了性能的改進，RISC的一些優(yōu)點以及相關的設計改進還有：@如果一個新的微處理器其目標之一是不那么復雜，那么其開發(fā)與測試將會更快。@使用微處理器指令的操作系統(tǒng)及應用程序的程序員將會發(fā)現(xiàn)，使用更小的指令集使得代碼開發(fā)變得更加容易。@RISC的簡單使得在選擇如何使用微處理器上的空間時擁有更多的自由。@比起從前，高級語言編譯器能產生更有效的代碼，因為編譯器使用RISC機器上的更小的指令集。除了RISC，任何全指令集計算機都使用的是復雜指令集計算（CISC）。 RISC典型范例如：MIPSR3000、 HP—PA8000系列，MotorolaM88000等均屬于RISC微處理器。主要特點RISC微處理器不僅精簡了指令系統(tǒng)，采用超標量和超流水線結構；它們的指令數(shù)目只有幾十條，卻大大增強了并行處理能力。如：1987年SunMicrosystem公司推出的SPARC芯片就是一種超標量結構的RISC處理器。而SGI公司推出的MIPS處理器則采用超流水線結構，這些RISC處理器在構建并行精簡指令系統(tǒng)多處理機中起著核心的作用。RISC處理器是當今UNIX領域64位多處理機的主流芯片性能特點一：由于指令集簡化后，流水線以及常用指令均可用硬件執(zhí)行；性能特點二：采用大量的寄存器，使大部分指令操作都在寄存器之間進行，提高了處理速度；性能特點三：采用緩存—主機—外存三級存儲結構，使取數(shù)與存數(shù)指令分開執(zhí)行，使處理器可以完成盡可能多的工作，且不因從存儲器存取信息而放慢處理速度。1、應用特點；由于RISC處理器指令簡單、采用硬布線控制邏輯、處理能力強、速度快，世界上絕大部分UNIX工作站和服務器廠商均采用RISC芯片作CPU用。如原DEC的Alpha21364、IBM的PowerPCG4、HP的PA—8900、SGI的R12000A和SUNMicrosystem公司的UltraSPARC║。2、運行特點:RISC芯片的工作頻率一般在400MHZ數(shù)量級。時鐘頻率低，功率消耗少，溫升也少，機器不易發(fā)生故障和老化，提高了系統(tǒng)的可靠性。單一指令周期容納多部并行操作。在RISC微處理器發(fā)展過程中。曾產生了超長指令字（VLIW）微處理器，它使用非常長的指令組合，把許多條指令連在一起，以能并行執(zhí)行。VLIW處理器的基本模型是標量代碼的執(zhí)行模型，使每個機器周期內有多個操作。有些RISC處理器中也采用少數(shù)VLIW指令來提高處理速度。RISC和CISC區(qū)別RISC和CISC是目前設計制造微處理器的兩種典型技術，雖然它們都是試圖在體系結構、操作運行、軟件硬件、編譯時間和運行時間等諸多因素中做出某種平衡，以求達到高效的目的，但采用的方法不同，因此，在很多方面差異很大，它們主要有：（1）指令系統(tǒng)：RISC設計者把主要精力放在那些經常使用的指令上，盡量使它們具有簡單高效的特色。對不常用的功能，常通過組合指令來完成。因此，在RISC機器上實現(xiàn)特殊功能時，效率可能較低。但可以利用流水技術和超標量技術加以改進和彌補。而CISC計算機的指令系統(tǒng)比較豐富，有專用指令來完成特定的功能。因此，處理特殊任務效率較高。（2）存儲器操作：RISC對存儲器操作有限制，使控制簡單化；而CISC機器的存儲器操作指令多，操作直接。（3）程序：RISC匯編語言程序一般需要較大的內存空間，實現(xiàn)特殊功能時程序復雜，不易設計；而CISC匯編語言程序編程相對簡單，科學計算及復雜操作的程序社設計相對容易，效率較高。（4）中斷：RISC機器在一條指令執(zhí)行的適當?shù)胤娇梢皂憫袛?；而CISC機器是在一條指令執(zhí)行結束后響應中斷。（5）CPU：RISCCPU包含有較少的單元電路，因而面積小、功耗低；而CISCCPU包含有豐富的電路單元，因而功能強、面積大、功耗大。（6）設計周期：RISC微處理器結構簡單，布局緊湊，設計周期短，且易于采用最新技術；CISC微處理器結構復雜，設計周期長。（7）用戶使用：RISC微處理器結構簡單，指令規(guī)整，性能容易把握，易學易用；CISC微處理器結構復雜，功能強大，實現(xiàn)特殊功能容易。（8）應用范圍：由于RISC指令系統(tǒng)的確定與特定的應用領域有關，故RISC機器更適合于專用機；而CISC機器則更適合于通用機。