計(jì)算機(jī)組成原理之如何設(shè)計(jì)高性能計(jì)算機(jī)

1、計(jì)算機(jī)組成原理之如何設(shè)計(jì)高性能計(jì)算機(jī)如何設(shè)計(jì)高性能計(jì)算機(jī)姓 名：專 業(yè)：題 目：學(xué) 院：指導(dǎo)老師：學(xué)號(hào)： 電子信息工程如何設(shè)計(jì)高性能計(jì)算機(jī)*摘要 2關(guān)鍵詞 2一、前言二、發(fā)展歷史31 、萌芽階段( 1964-1975 )2 、向量機(jī)鼎盛階段( 1976-1990 )3 、MPP蓬勃發(fā)展階段(1990年至今)三、工作原理4四、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4五、計(jì)算機(jī)獲得高性能的途徑5六、操作系統(tǒng)5七、應(yīng)用現(xiàn)狀、市場(chǎng)5致謝 八、參考文獻(xiàn)66高性能計(jì)算機(jī)之所以稱為高性能計(jì)算機(jī)，主要因?yàn)槠浼鎮(zhèn)溥\(yùn)算速度快、存儲(chǔ)容量大、可靠性能高幾大特征，簡(jiǎn)單的來說，也就是它跟微機(jī)與低檔 PC 服務(wù)器相比而言具有性能、功能方面的優(yōu)勢(shì)。不

2、過高性能計(jì)算機(jī)也有高、中、低檔之分，中檔系統(tǒng)市場(chǎng)發(fā)展最快，從應(yīng)用與市場(chǎng)角度來劃分，中高檔系統(tǒng)可分為兩種，一種叫超級(jí)計(jì)算機(jī)，另一種叫超級(jí)服務(wù)器。 High performance computer is called high performance computer, mainly because it has fast computing speed, storage capacity, high reliability of several major features, simple, which is compared with the microcomputer and low-gr

3、ade PC server has the advantages of performance, function. No highperformance computer has high, medium and low-grade division, class system is the fastest growing market,from the angle of application and market division, in high-end systems can be divided into two kinds, one kind is called super co

4、mputer, the other is called a super server.關(guān)鍵詞： 高性能計(jì)算機(jī)部件技術(shù) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 應(yīng)用系統(tǒng) 操作系統(tǒng)一、前言：高性能計(jì)算( High Performance Computing )目前是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)分支， 隨著信息化社會(huì)的飛速發(fā)展，人類對(duì)信息處理能力的要求越來越高，不僅石油勘探、氣象預(yù)報(bào)、航天國(guó)防、科學(xué)研究等需求高性能計(jì)算機(jī)，而金融、政府信息化、教育、企業(yè)、網(wǎng)絡(luò)游戲等更廣泛的領(lǐng)域?qū)Ω咝阅苡?jì)算機(jī)的需求迅猛增長(zhǎng)。正是由于對(duì)高性能計(jì)算的要求越來越高，導(dǎo)致其已經(jīng)潛移默化地極大推動(dòng)了高性能計(jì)算機(jī)的發(fā)展。高性能計(jì)算機(jī)之所以稱為高性能計(jì)算機(jī)，主要因?yàn)槠浼鎮(zhèn)溥\(yùn)

5、算速度快、存儲(chǔ)容量大、可靠性能高幾大特征，簡(jiǎn)單的來說，也就是它跟微機(jī)與低檔 PC 服務(wù)器相比而言具有性能、功能方面的優(yōu)勢(shì)。不過高性能計(jì)算機(jī)也有高、中、低檔之分，中檔系統(tǒng)市場(chǎng)發(fā)展最快，從應(yīng)用與市場(chǎng)角度來劃分，中高檔系統(tǒng)可分為兩種，一種叫超級(jí)計(jì)算機(jī)，主要是用于科學(xué)工程計(jì)算及專門的設(shè)計(jì)，如 Cray T3E ；另一種叫超級(jí)服務(wù)器，可以用來支持計(jì)算、事務(wù)處理、數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用與服務(wù)，如 IBM 的 SP 和國(guó)產(chǎn)的曙光2000 。二、發(fā)展歷史：綜觀近年來高性能計(jì)算機(jī)的發(fā)展，其主要經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段: 萌芽階段、向量機(jī)鼎盛階段和大規(guī)模并行處理機(jī)(MPP)蓬勃發(fā)展階段。1 、 萌芽階段( 1964-19

6、75 )1964 年誕生的CDC6600被公認(rèn)為世界上第一臺(tái)巨型計(jì)算機(jī)，其運(yùn)算速度為IMflops70年代初研制成功STAR-100向量機(jī)，這是世界上最早的向量機(jī)。隨后于 1974年，誕生了 世界上最早的 SIMD 陣列計(jì)算機(jī)-ILLIAC-IV 并行機(jī)。2 、向量機(jī)鼎盛階段( 1976-1990 )1976 年，CRAY公司推出CRAY-1向量機(jī)，開始了向量機(jī)的蓬勃發(fā)展，其峰值速度為 0.1Gflops.1985 年， CRAY-2， 1G flops1990 年 , SX-3,22G flops1991 年， Cray-YMP-C90,16Gflops向量機(jī)處理對(duì)提高計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度十分有利

7、，有利于流水線的充分利用，有利于多功能部件的充分利用，但由于時(shí)鐘周期已接近物理極限，向量計(jì)算機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展已經(jīng)不太 可能。3 、MPP蓬勃發(fā)展階段（1990年至今）就在傳統(tǒng)向量機(jī)逐漸萎縮的同時(shí)，應(yīng)來了大規(guī)模并行處理MPP機(jī)蓬勃發(fā)展的時(shí)代。各種新技術(shù)層出不窮，大公司也紛紛介入。這一時(shí)期的代表機(jī)型有： 1989 年， BBN 公司的 TC20001992 年，Intel 公司的 Paragon , TMC公司的 CM-51993年，Cray 公司的T3D1994 年， IBM 公司的 SP21996年，Cray 公司的T3E ， Hitachi 公司的 SR2201SGI 公司的 Origin20

8、00 ， Intel 公司的 ASCE RED其中，1996年12月宣布的ASCI RED,運(yùn)算速度超過了萬億次/秒。截至 2000 年 6 月，世界上已有14 萬億次機(jī)，超過3000 億次機(jī) 62 臺(tái)。排名世界前10名的均為MPP , MPP已成為高性能計(jì)算機(jī)的主流產(chǎn)品。三、工作原理高性能計(jì)算機(jī)在運(yùn)行時(shí)，先從內(nèi)存中取出第一條指令，通過控制器的譯碼，按指令的要求，從存儲(chǔ)器中取出數(shù)據(jù)進(jìn)行指定的運(yùn)算和邏輯操作等加工，然后再按地址把結(jié)果送到內(nèi)存中去。接下來，再取出第二條指令，在控制器的指揮下完成規(guī)定操作。依此進(jìn)行下去。直至遇到停止指令。程序與數(shù)據(jù)一樣存貯，按程序編排的順序，一步一步地取出指令，自動(dòng)地

9、完成指令規(guī)定的操作。四、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目前高性能計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的主流是，通過將更多的處理器連接起來構(gòu)建更大規(guī)模的并行系統(tǒng)。網(wǎng)格是近年來計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)發(fā)展的一個(gè)重要方向，但是用網(wǎng)格技術(shù)的實(shí)現(xiàn)還存在很大的上升空間 : 一方面互聯(lián)網(wǎng)連接的速度和帶寬仍有待提高；另一方面是有效的網(wǎng)格體系模型和計(jì)算模型還沒有建立。網(wǎng)格的資源是分散和動(dòng)態(tài)的，計(jì)算也是一種分散的、動(dòng)態(tài)的過程，傳統(tǒng)的并行共享內(nèi)存或消息傳遞程序模式還不能直接有效的利用。因此，高性能計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)應(yīng)從構(gòu)成部件技術(shù)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與應(yīng)用系統(tǒng)三個(gè)層面來考慮，同時(shí)為增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性、可用性、可維護(hù)性及性能價(jià)格比等特征, 設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)電耗性、冷卻系統(tǒng)、機(jī)器體積與運(yùn)行

10、環(huán)境、造價(jià)等綜合考慮。然而集群這種兵航或分布式多處理系統(tǒng)，能夠提供一種價(jià)格合理、具有高性能和高可靠性的并行計(jì)算方案，如圖示：五、計(jì)算機(jī)獲得高性能的途徑1 、提高部件性能及其限度，主要包括： cpu 、內(nèi)存、磁盤、網(wǎng)絡(luò)； 2 、設(shè)計(jì)并行處 理，做到設(shè)計(jì)優(yōu)化、性能優(yōu)化；3 、開發(fā)局部性，這方面可以通過“空間局部性”（ cache 內(nèi)的數(shù)據(jù)塊、內(nèi)存中、結(jié)點(diǎn)中、本地機(jī)器內(nèi)）、“時(shí)間局部性”（最近用到的數(shù)據(jù)）來實(shí)現(xiàn)；4 、周期隱藏。六、操作系統(tǒng)：高性能計(jì)算的操作系統(tǒng)由最初的 Unix 操作系統(tǒng)為主，目前隨著集群架構(gòu)的逐漸廣泛和 Linux 操作系統(tǒng)的逐漸成熟， Linux 操作系統(tǒng)逐漸成為高性能計(jì)算機(jī)的

11、主流，占到 80% 以上的市場(chǎng)份額。為了使得集群系統(tǒng)有較好的兼容性，可以配置多種操作系統(tǒng)，如 linux Windows HPC server 等。七、應(yīng)用現(xiàn)狀、市場(chǎng)總的說來，高性能計(jì)算機(jī)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用還比較落后，主要原因在于裝備不足、聯(lián)合和配套措施不力及宣傳教育力度不夠。首先，國(guó)內(nèi)高性能計(jì)算機(jī)的裝機(jī)量明顯不足。 1997 年世界高性能計(jì)算機(jī)的銷售額美國(guó)約為 220 億美元，中國(guó)約為 7 億美元。美國(guó)的微機(jī)銷售額約占世界市場(chǎng)的38%高性能計(jì)算機(jī)占世界的34%均高于其GDP所占世界份額（25%右）。中國(guó)的微機(jī)銷售額約占世界市場(chǎng)的3%高于中國(guó)GDP的份額（2.6%）;但中國(guó)高性能計(jì)算機(jī)銷售額所占世界

12、份額僅為1%左右，低于GDP的份額。從另一個(gè)角度看，中國(guó)的微機(jī)市場(chǎng)接近美國(guó)的 1/10 ，但中國(guó)的高性能計(jì)算機(jī)市場(chǎng)不到美國(guó)的1/30 。裝備不足嚴(yán)重影響了高性能計(jì)算機(jī)應(yīng)用的開發(fā)和人才的培養(yǎng)，這些反過來又影響了高性能計(jì)算機(jī)的使用和裝備。值得慶幸的是，隨著網(wǎng)絡(luò)化和信息化工作的深入，國(guó)內(nèi)社會(huì)已開始意識(shí)到高性能計(jì)算機(jī)的重要性。 1999 年，中國(guó)高性能計(jì)算機(jī)的市場(chǎng)銷售額猛增了 50% 以上。不過通過這十幾年的發(fā)展，我們國(guó)家高性能計(jì)算機(jī)應(yīng)用已經(jīng)有了突飛猛進(jìn)的進(jìn)步，相信在未來的幾年里，其應(yīng)用一定會(huì)更加廣泛，并且它的市場(chǎng)前景也是很不錯(cuò)的。八、參考文獻(xiàn)1 王移芝，羅四維大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教程北京：高等教育出版社， 20192 楊振山，龔沛曾大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)（第四版）北京：高等教育出版社， 201920193 馮博琴，大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)北京：高等教育出版社，4 李秀等，計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)（第 5 版）北京：清華大學(xué)出版社， 20195 June jamrich Parsons ， Dan Oja 計(jì)算機(jī)文化北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 20016 馮博琴大學(xué)計(jì)算機(jī)北京：中國(guó)水利水電出版社， 20197 丁照宇等計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)北京：電子工業(yè)出版社， 20028 張堯?qū)W等計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)教程北京：清華大學(xué)出版社， 20029 陶樹平等計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)導(dǎo)論高等