計算機體系結構綜述

魏剛

摘 要 當前計算機體系結構研究突出表現為微處理器體系結構研究，面臨著許多新挑戰。面向體系結構開展應用算法優化和體系結構支持軟件工具的各種技術正在相互融合，新思想、新技術不斷涌現，計算機體系結構技術正處于一個迅速變化的時期。本文分別闡述了高等計算機體系結構的歷史、現狀以及未來的發展方向。

關鍵詞 體系結構 現狀 發展

中圖分類號：TP303 文獻標識碼：A

計算機的體系結構范圍很廣，定義也很寬泛，它包含了指令集的設計、組織、硬件與軟件的邊界問題等等，同時涉及了應用程序、技術、并行性、編程語言、接口、編譯、操作系統等很多方面。作為各項技術發展的中心，體系結構一直在不斷地朝前發展。

1 計算機體系結構的歷史回顧

從20世紀70年代中期開始，分布式系統開始出現并流行，極大地增加了系統的復雜性，出現了微處理器并獲得了廣泛應用。如今計算機的體系結構發展迅速地從集中的主機環境轉變成分布的客戶機/服務器（或瀏覽器/服務器）環境，新的技術不斷涌現出來。盡管如此，計算機在總體上、功能上需要解決的問題仍然存在。隨著RISC技術、Cache等創新技術的發展，不僅僅在專業領域，越來越多的PC機也在向此靠攏。在每一次進步與創新的同時使組件的成本降到最低成為最需要考慮的問題。

2計算機體系結構的發展現狀

2.1通過線程級并行改善處理器性能

IBM的POWER5TM處理器是一個雙上下文的同時多線程芯片。在每一種表面組裝技術的核心，IBM POWER5突出了兩層線程資源的平衡和優化。第一層提供了自動的內嵌硬件資源平衡設備，而第二層是一種軟件控制優化機制，它顯示了線程優化的八層。通過并行性來改善處理器的性能，已經不是新的技術，但將并行性細化到線程級，可大大提高并行度，并且克服了通常指令級并行的限制。

2.2并行性意識分批處理時序

在一個共享的動態隨機存儲器系統中，一個線程延遲不僅來自其他線程的由于邊界、總線、行緩沖器沖突的請求，而且會破壞其他線程動態隨機存儲器邊界層的并行性。并行意識分批處理時序（PAR-BS）基于兩個關鍵的觀點。首先，PAR-BS分批地處理DRAM請求來提供公平并且避免請求的餓死；其次，優化系統工作量。PAR-BS采用并行意識DRAM時序安排策略，從而通過線程減少內存關聯，拖延時間經驗。PAR-BS無縫地包含了對系統級線程優先級的支持，并且能夠對不同優先級的線程提供不同的服務層，包括純粹投機的服務。

2.3內嵌磁盤并行性

服務器存儲系統使用大量的磁盤來實現高性能，因此消耗大量的能量。內嵌磁盤并行性能夠幫助一個大的磁盤陣列替換一個較小的，用滿足容量需求的磁盤最小數目。用提供高性能的存儲陣列來替代一個單獨的高內存的磁盤驅動器。與前面所述的兩種并行性不同，傳統的計算機為了提高速度加強性能，都不可避免造成了其他方面的損失，例如容量大、能量高等等，而通過內置的磁盤并行，在實現高性能的同時，也減少了能量的消耗，這是過去所追求的計算機性能的一個重要方面。

2.4指令粒度程序監控的靈活硬件加速器

指令粒度程序監控工具，在個人指令粒度上檢查和分析執行程序，對快速檢測錯誤和安全攻擊然后限制它們的損害是非常寶貴的。通過檢查一些不同的工具識別一般費用的三種重要的共同資源，然后為定位這些費用提出三種新的硬件技術：繼承跟蹤冪等濾波器，以及元數據轉換旁置緩沖器?？偟膩碚f，這些組成了一個多用途的硬件加速框架。

3 計算機體系結構的發展趨勢

3.1混合體系結構已成為HPC發展的趨勢

建在東京技術研究所的TSUBAME采用的就是混合體系，除了使用10368個AMD雙核Opteron外，360塊加速卡為系統貢獻了24%的性能，僅增加了1%的功耗。而IBM將在2008年完成的名為RoadRunner的1600萬億次HPC中，總共采用了16000個Opteron和cell兩種不同架構的處理器?？梢哉f，多核微處理器和面向領域的混合體系結構已成為HPC發展的趨勢。

3.2新技術的發展應有多樣化的評估標準

面對各種新技術的出現，多樣化的評估才能更加公正客觀地反映高性能計算機技術的發展與進步。FPGA（現場可程序化邏輯門陣列）與GPU（圖形處理器）等芯片在高效計算上也具有可觀的加速性。未來基準測試軟件能否測度CPU外的計算加速性芯片所帶來的效能效益，也成為一大重點。再者，現有性能評估法也僅以標量（Scalar）為主，不考慮向量（Vector）性能，但日本NEC的地球仿真器是原生的向量計算系統，若以向量為前提進行較量，NEC依然會是榜首，其他則會是PowerPC970（芯片內具備硬件向量計算單元）的系統。如此，推測未來也可能會另設向量別的性能比較，好與現有標量別的比較分開。

3.3光電結合是未來計算機制造和互聯技術的發展趨勢

光電技術的結合是下二十年計算機制造技術的發展趨勢，PCB（印刷電路板）板間光互連將成為未來高性能計算機的標準互連方式。如果按照摩爾定律繼續發展，下二十年后，半導體技術將進入THz時代，而THz是電信號和光信號交叉之處。未來芯片內部也有可能采用光互聯技術?？梢灶A見光電技術的結合將是未來

4總述

當前高性能計算機的研制已進入發展的十字路口。一方面，尖端的高性能計算機系統研制正處于各種新思想與新方法產生的活躍期；另一方面，廉價的機群系統帶來的高性能計算機反過來對系統設計提出了新的要求。我國已經具備了自行研制國際先進水平超級計算機系統的能力，并形成了神威、銀河和曙光等幾個自己的產品系列和研究隊伍，有進行重大技術創新的條件。但是，目前研制的系統國產化程序并不高，處理器、高速網絡等關鍵部件還主要依賴進口。隨著集成電路生產基地逐漸向中國轉移和國產通用CPU技術的突破，我國實際上已經開始具備了自主生產高性能計算機全套部件的潛力，高效能和高生產力正在孕育未來高性能計算機的創新機會。

參考文獻

[1] 祁金華.高性能計算走向成熟期[J].網絡世界，2007（21）.

[2] 曾宇，王潔.中國高性能計算機技術及標準現狀分析[J].信息技術與標準化，2006（10）.