在引人注目的科学技术趋向和预期的应用基础上，预测本世纪90年代要研制的计算机体系结构是十分重要的。第五代计算机设计的目标是研究和开发高级智能计算机系统，这种系统最擅长于处理知识信息，被称为知识信息处理系统。从计算机体系结构的观点来看，研究的目的是寻找在实现知识信息处理系统的计算机体系结构级上完成强有力的支撑功能。
引言
具有三十多年计算机广泛应用的经验已经预言，未来的计算机一般至少应该具有如下的特性：
（1）它必须具备能合理组织计算机结构以适应于广泛应用的功能。
（2）它必须具备各种有助于改进软件开发能力的功能机构。
（3）它应该给非专业用户提供一种有力手段，使其通过高级人工智能机器的接口能够方便使用之。
（4）同时它也必须提供生成解决问题的新方法的功能，就是说能替代人作出判断和决定的支撑功能。
（5）它必须具备能促进分布处理、系统保护的功能和保证系统具有高可靠性的机构。
（6）这种系统也必须突出考虑改进性能价格比。
可以这样说，第五代计算机体系结构研究的目标是要寻求能在计算机体系结构级上支持完成上述列举特性的基本功能和有效机构。
进行计算机体系结构改革的必要性
由于软件开发上的困难和大量软件产品的出现，要想在现存的计算机上引入新的体系结构是十分艰难的。综观前几代计算机的发展，可以看出：如果改进性能价格比是开发一种新型计算机的主要目标，那么，在整个系统中采用超大规模集成电路技术，而不需要考虑计算机体系结构，就是一种明智的方法。不过对于现代的计算机在体系结构上缺乏改革这一点上，许多计算机科学家都感到悲叹。
主要理由有如下几点：
（1）由于新的应用，例如需要很长计算时间的大型科学计算问题，或者需要以实时方式处理大量数据的图像处理问题的出现，就提出了对包括能处理大量数据的高速处理能力和性能价格比这两者在内进行重要改进的要求。
（2）已提出了的语义间隙（Semantic gar）是关于高级编程语言概念和现有计算机体系结构概念之间差异的一种量度。这个事实可能会加重90年代的软件危机。为了缓和这个问题，就一定要在相容的概念基础上发展新的编程语言，同时需要在计算机体系结构级上提供基本功能。而这种基本功能正是使操作系统和高级语言环境中的语义间隙大幅度地变窄。
（3）在近代的尖端应用中，常常需要有高度智能的人机接口为用户提供更加自然的交互处理或更合适的图像处理功能。
（4）一些新颖的应用是和模式识别、语义数据库、知识库或人工智能有密切联系的，而这些应用已要求在计算机上含有有效的支撑功能。
（5）前几代的计算机是在确定性数据处理的基础上进行设计的。然而，人们已逐渐认识到对具有高级的人 - 机接口的应用来说，非确定性数据或探索性数据（heuristic data）的处理技术是必不可少的。在这些应用中，例如，需要在计算机内提供合符需要的带有含糊性数据的相关联处理能力或者具有回溯（back tracking）功能的高级推理处理的能力。
（6）人们已经认识到：必须使用冗余技术或动态结构来研制超可靠性的计算机系统。
（7）超大规模集成电路技术领域中的最新进展使得在计算机体系结构上进行实质性的改革成为可能。因此面向应用的或专用的系统已较为容易地研制了。
（8）随着高性能个人电脑或智能终端的使用，新型的数据处理形式已很普遍。
理由（1） ~ （6）出自推动新颖应用的需要，而理由（7） ~ （8）实为新成就播种的结果。尤其是理由（1） ~ （6）表明：如果没有在计算机体系结构级上提供合理的支撑功能，那么在新颖应用中那些有效和实际的数据处理将不能成为现实。因此，计算机体系结构的改革势在必行。
前几代计算机中存在的问题
前几代计算机中的大多数是着重于大量数据的高速处理。然而随着计算机应用领域的不断开拓和计算机技术的迅速发展，计算机在逻辑功能上的弱点已基本上显露出来。
以下是从使用者的角度列出的几个主要弱点：
（1）当要解决的问题形式正在发生变化时，计算机结构和执行功能仍保持不变。现有的计算机只能提供低级的抽象数据类型的编程语言，因而不允许用户经由高级智能的人——机接口来使用自然语言。
（2）目前的计算机虽能较满意地解决那些用确定性逻辑为基础的数学形式所描述的问题，但是在自然环境中出现的问题往往包含有模糊性、冗余，或者在需要处理的数据中存在着大量的语义性参数。而这类问题的解决，例如在模式识别，作出判断、自然语言或复杂的知识库中，正确的处理方法不是在处理的开始就能找到的，还必须经常使用试凑法，这种费事的试凑法技术在人工智能领域中是经常会遇到的。
（3）用户必须把要解决的原始问题转换成计算机能解决的数学模型。但是，在用户概念和编程语言概念之间；编程语言概念与传统的冯 · 诺依曼硬件概念之间都存在着很大的语义间隙，这些语义间隙不仅使问题的转换发生困难，而且降低了软件的开发能力。
第五代计算机的功能性要求
第五代计算机的设计至少要能够解决上述问题。这就意味着它们将适合于处理基于革新理论和为了满足复杂功能需要所提出的技术之上的知识信息，而这些复杂功能正是90年代必须予以考虑的。
从理论和技术相结合的观点出发可以得出这样的结论：第五代计算机所具有的基本功能可归纳为以下诸点：
（1）解题和推理功能的最大目标为执行100 M ~ 1 G LIPS（每秒逻辑推理）。
（2）知识库的管理功能目标是具有对知识库执行有效的检索能力，该知识库的推理需要在几秒钟内在一个数据库机器上具有100 ~ 1000 GB。
（3）智能接口允许用户以声音、图像或自然语言为介质和计算机进行会话。
毫无疑问，当第五代计算机和人类进行联系时，它们将成为知识信息处理系统的核心。
第五代计算机的体系结构
从计算机体系结构的观点看来，第五代计算机必须在体系结构级上具备一些基本功能，以便有效地支持知识信息处理系统的实现。然而，第五代计算机体系结构主要会受到下列技术要素的强烈影响：
· 来自新颖应用的需要
· 起因于硬件的发展
· 来源于实现的方法
· 系统化技术
新的应用将要求未来的计算机具有智能特性和知识库系统。
超大规模集成电路技术的进展将会为改变计算机体系结构作出巨大贡献。第五代计算机的设计可充分利用先进的硬件技术生产VLSI芯件。
就系统容易实现的观点来音，分布式功能的体系'结构使得各种专用系统融为一体。一种分布功能的体系结构的出现，确保了计算机系统的高性能、高可满性、使用方便和构造简单，同时它也在各种系统级上为未来技术的进步和复杂功能的实现提供了适应性。
下图绘出了一个按分级组织知识信息处理系统的逻辑模型例子。
它将遵照以下步骤来实现：
（1）为系统设计者在语言接口设计系统描述语言。
（2）用描述语言给用户明白的虚拟机的映像。
（3）虚拟机按功能一般可分成三个子虚拟机：虚拟处理器、虚拟数据库机和虚拟网络机。使用每一个子虚拟机的一个指令系统都是在存取接口上进行的。
（4）确定包含有各指令系统的子虚拟机体系结构。这样的体系结构可以和一些类型有关。例如抽象的数据类型，关系代数类型或数据流类彻等。
（5）设计实体机器诸如高级语言机、用于科学计算的阵列处理器或介质处理器，以便在第一级虚拟技术级上组织各个子虚拟机。研制一台实体数据库机，利用通讯网络和通讯处理器，提供控制分布数据库系统的功能。
（6）一种分布式功能体系结构是为了把上述的专用机合为在第二级虚拟级上单个实体机而提出的。
（7）所有实体机均通过第三级虚拟级上的大规模集成电路CAD系统用大规模集成电路芯片实现的。
作为第五代计算机系统的一个例子，它包括三级计算机。第一级称为“超级个人计算机”，它是一台供个人使用的超高性能的VLSI计算机，像PROLOG这类机器。当作业的要求已超过超级个人计算机的处理能力时，这些作业就可以被第二级或第三级计算机处理。第二级计算机称作“服务机”，它包括各式各样的计算机。有处理用户程序的用户服务机；有维护通讯网络和分布式数据库的机器服务机，也有专门控制系统程序和控制整个系统的控制机。第三级计算机叫做“专用机”或“共用机”。处在第三级上的机器是为用户在虚拟方式下所共享的。所有这些机器通过紧密联系或通过松散的通讯网络相互联接在一起。例如，强功能的HELP系统、有效地调试系统、硬件监视器或软件监控程序、自动调整机构等等都分布在整个系统中。
第五代计算机体系结构的主要研究目标
为了达到第五代计算机的设计目标，即研制成面向知识信息处理的高级智能计算机系统，必须对知识库系统和与之有关的推理机构进行深入研究，因为它们将在知识信息处理系统的核心中起很重要的作用，同时也将成为以后出现的复杂软件系统的基本组成部分。这样，第五代计算机体系结构所要研究的主要目标就可罗列如下：
（1）第五代计算机核心语言
在软件工程和人工智能方面研究的进展正对现行软件系统中遗留的各种尚未解决的问题提供有效的解决办法。解决的方法之一是提出一种可以取代传统的冯 · 诺依曼语言的新编程语言，其中逻辑的编程语言和功能的编程语言是最有前途的。它们为改善软件的可靠性提供了进行并行处理和程序检验的能力。这些编程语言有可能成为一种介于硬件和软件之间的重要接口，并暗示了计算机体系结构的一种宏说明。
第五代计算机方案中将设计一种很高级的语言称为“第五代计算机核心语言”。这种核心语言既作为软件系统的核心，也作为发展计算机体系结构的基本说明。所推荐的语言将是一种逻辑编程语言。其中PLOLOG的扩展型版本就是这种核心语言的一个例子。这种语言的设计基础是简单推理，即逻辑上的演绎推理。它应该体现有详细说明并行处理事件以及表达智能或推理结构上更高级功能的能力。
（2）推理机
知识信息处理系统应由三个主要机器组成，即推理机、知识库机和智能接口机。作为研究目标之一的推理机，必须发展新的体系结构，以有效地支撑用第五代计算机核心语言——PROLOG定义的推理机构。从这一点来看，这种推理机也可以被认为是一种高级语言机器。
实际上，高度并行处理和超大规模集成电路技术相结合的体系结构将导致数据流机的产生，一种以能支持面向编程语言和缩小语义间隙为目标的体系结构，这也是我们研究的主要目标。
（3）知识库机
知识库机体系结构方面的研究将按下述步骤进行。第一步，作为推理机存储管理系统的一个关系数据库机是连到它上面的。第二步，要研究如何把已建立的关系数据库机扩展到高级和高性能的知识库机。
具有并行处理、流水线操作、数据流处理、存储数据流结构的集合操作、分级存储控制和路径选择网络的高级结构是相当基本的研究目标。尤其是对关系数据库和数据流机的深入研究将成为整个方案能否成功的关键所在。
（4）智能接口机
把推理机和知识库机结合在一起便构成了一台第五代计算机的原型。显然第五代计算机一定能根据人 - 机通讯的介质为用户提供各种高级智能接口。而种种能综合处理字符、声音、图形和图像的人 - 机系统的开发也将进入议事日程。
（5）超大规模集成电路和系统结构
无疑，超大规模集成电路技术对于第五代计算机有着极大的影响，因此它是本方案最重要的研究目标。
在VLSI芯片生产上有二个主要的研究课题。一个是VLSI的算法问题，其中包括选定完成什么功能和如何在VLSI芯片上实现这些功能的研究。另一个是VLSI芯片设计和制造的支撑系统，即VLSI的CAD系统。看来应该在实现智能VLSI的CAD系统中完成许多软件工作，并且强烈希望发展具有智能人 - 机接口的标准化终端。
在这个领域的研究目标可分为三个部分：
① VLSI CAD系统的开发。
② 一个称之为“SYSTEM 5G”的计算机系统的开发，VLSI CAD系统能在这个计算机系统上运行。
③ 第五代个人计算机的开发，即使用户和SYSTEM 5G联系而使用的标准终端。
SYSTEM 5G是由超级推理计算机和第五代通讯网络组成。前者的构成基于功能性分布式结构，而这种结构正是通过高速局部网络把推理计算机和关系型数据库计算机连接起来，后者由高速局部网络和传统的全程网络组成。使用标准化的第五代个人计算机就能实现对SYSTEM 5G的远程访问。这种标准化的第五代个人计算机也称“个人逻辑程序设计站”，它是一种高智能终端，能提供一个指令集以支撑谓词逻辑和多介质信息（如声音或图像信息）的输入输出。
结 论
从计算机体系结构的观点出发，第五代计算机的研究工作应致力于以高智能计算机系统的开发以适应于知识信息的处理。因此，在第五代计算机的方案工程一开始就要设计一种逻辑编程语言来作为要开发的第五代计算机硬件和软件之间的接口，然后对与高级体系结构有关联的部分机构如推理机、知识库机或智能接口机等进行全而的调查研究，并设计超大规模集成电路芯片和计算机体系结构的智能VLSI CAD系统和综合的计算机系统。
[Institute for new generation Computer Technology] [the Generation Computer System 84：Proceedings of The International Conference Tokyo]