计算机体系结构的现状及发展趋势

计算机体系结构的现状及发展趋势计算机体系结构的现状及发展趋势计算机体系结构的现状及发展趋势计算机体系结构的现状及发展趋势 1.计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构现状现状现状现状概述概述概述概述 计算机体系结构是选择并相互连接硬件组件的一门科学和艺术，在人们不断探索研究的过程中，一直在追求计算机的功能、性能、功率以及花费的高度协调，以期达到各方面的最佳状态，在花费、能量、可用性的抑制下，实现计算机的多功能、高性能、低功率、少花费的一个新时代。根据当前体系结构的发展现状，要实现以上全部要求的一台计算机，还存在着诸多的限制条件，包括逻辑上的以及硬件上的。计算机的体系结构范围很广，定义也很宽泛，它包含了指令集的设计、组织、硬件与软件的边界问题等等，同时涉及了应用程序、技术、并行性、编程语言、接口、编译、操作系统等很多方面。作为各项技术发展的中心，体系结构一直在不断地朝前发展。 纵观计算机体系结构一路发展的历史，从60年代中期以前，最早的体系结构发展的早期时代，计算机系统的硬件发展很快，通用硬件已经很普遍，但是软件的发展却很滞后，刚刚起步，还没有通用软件的概念。从60年代中期到70年代中期，体系结构有了很大进步。多道程序、多用户系统引入了人机交互的新概念，开创了计算机应用的新境界，使硬件和软件的配合上了一个新的层次，但是此时的软件由于个体化特性很难维护，出现了“软件危机”。从20世纪70年代中期开始，分布式系统开始出现并流行，极大地增加了系统的复杂性，出现了微处理器并获得了广泛应用。如今计算机的体系结构发展已经进入了第四代，硬件和软件得到了极大的综合利用，迅速地从集中的主机环境转变成分布的客户机／服务器(或浏览器／服务器)环境，新的技术不断涌现出来。尽管如此，计算机在总体上、功能上需要解决的问题仍然存在。随着RISC技术、Cache等创新技术的发展，不仅仅在专业领域，越来越多的PC机也在向此靠拢。在每一次进步与创新的同时使组件的成本降到最低成为最需要考虑的问题。 本文主要介绍高性能计算机的体系结构中应用的关键技术以及高性能计算机体系结构技术的发展趋势。

2 高性能计算机体系结构高性能计算机体系结构高性能计算机体系结构高性能计算机体系结构 高性能计算(high performance compute，HPC)是一个计算机集群系统，它通过各种互联技术将多个计算机系统连接在一起，利用所有被连接系统的综合计

算能力来处理大型计算问题。高性能
计算方法的基本原理就是将问题分为若干部分，而相连的每台计算机(称为节点)均可同时参与问题的解决，从而显著缩短了解决整个问题所需的计算时间。解决大型计算问题需要功能强大的计算机系统，随着高性能计算的出现，使这一类应用从昂贵的大型外部计算机系统演变为采用商用服务器产品和软件的高性能计算机集群。因此，高性能计算系统已经成为解决大型问题计算机系统的发展方向。 对于服务器而言，单纯地提高单个处理器的运算能力和处理能力正在变得越来越难，虽然制造商从材料、工艺和设计等方面进行了不懈的努力，近期内CPU保持着高速的增长势态，但高频之下的高功耗所引起的电池容量问题和散热问题等负面效应，以及这些负面效应对整机系统产生的电磁兼容性问题，又反过来将CPU运算能力的提升推到了暮年。显然，提高单个处理器速度和性能已是强弩之末。而研发多个CPU的并行处理技术，才是真正提高现代服务器处理能力和运算速度的有效途径。目前，由图SIMD技术、Single Proc技术、Const技术已经不再使用，并行处理技术主要有SMP技术、NUMA技术、集群技术和网格技术等。根据2006年对排行前500名的机器作TOP500统计，TOP500中的Cluster约占70。8％，MPP(含CC—NUMA)约占22％，而SMP约占7。2％。 2.1 SMP技术技术技术技术 对称多处理(symmetrical multiprocessing，SMP)技术是相对非对称多处理技术而言的、应用十分广泛的并行技术。在这种架构中，多个处理器运行操作系统的单一复本，并共享内存和一台计算机的其它资源。所有的处理器都可以平等地访问内存、I／0和外部中断。系统资源被系统中所有CPU共享，工作负载能够均匀地分配到所有可用的处理器之上。目前，大多数SMP系统的CPU是通过共享系统总线来存取数据，实现对称多处理的。在SMP系统中增加更多处理器的两个主要问题是系统不得不消耗资源来支持处理器抢占内存，以及内存同步. 2.2 NUMA技术技术技术技术 在非一致访问分布共享存储技术(non uniformmemory access,NUMA)体系结构中，每个处理器与本地存储器和高速缓存相连，多个处理器通过处理器、存储器互联网络相连。处理器还通过处理器、I／O网络访问共享的I／O和外围设备。至于处理器之间的通信则通过可选的处理器之间的通信网络来实现。NMUA技术在科学与工程计算领域具有不可替代的地位，在联机事务处理(OLTP)、决策支持服务(DSS)和Intranet以及Internet中的地位也越来越重要。目前，NUMA并行机的处理器数目可达到512个，且带宽可随处理器数目基本上呈线

性扩展。这样大的处理器数，使单一系统映像的NUMA机足以覆盖绝大多数的应
用。首先，由于它具有与SMP相同的编程模式，因此在科学与工程计算领域具有不可替代的地位；其次，由于它具有共享内存和良好的可扩展性优势，可以适应企业数据中心的多种应用。NUMA系统能够运行世界上一些最大的UNIX数据库应用，而且正被广泛接受为电子商务的主流技术，包括处理功能强大、I／O的大规模可扩展性、高可用性、工作负荷和资源管理的广泛灵活性，而且无需改变SMP编程模型等优越技术。 2.3 Cluster技术技术技术技术 集群(Cluster)技术是近几年兴起的发展高性能计算机的一项技术。它是一组相互独立的计算机，利用高速通信网络组成一个单一的计算机系统，并以单一系统的模式加以管理。其出发点是提供高可靠性、可扩充性和抗灾难性。一个集群包含多台拥有共享数据存储空间的服务器，各服务器通过内部局域网相互通信。当一台服务器发生故障时，它所运行的应用程序将由其它服务器自动接管。在大多数模式下，集群中所有的计算机拥有一个共同的名称，集群内的任一系统上运行的服务都可被所有的网络客户使用。采用集群系统通常是为了提高系统的稳定性和网络中心的数据处理能力及服务能力。 2.4 网格技术网格技术网格技术网格技术 网格技术有可能成为实现Petaflops的另一条途径。网格是近年来计算机体系结构发展的一个重要方向，其基本思想是通过Internet进行资源共享和协同工作。目前连接到Internet的计算机已经达到1亿台以上，通过互联网可能达到的聚合计算潜力是不可估量的。国际上已经有Globus等组织为网格环境制定标准和参考实现。但是用网格技术实现PetafloPs仍需要关键技术上的突破：一方面互联网连接的速度和带宽仍有待提高，近年来，网络通信技术以超摩尔定律的速度高速增长，已经为此提供了可能，达到实用阶段只是时间问题。另一方面是有效的网格体系模型和计算模型还没有建立。网格的资源是分散和动态的，计算也是一种分散的、动态的过程。传统的并行共享内存或消息传递程序模式不能直接有效地利用,如何科学计算高效使用网格的计算能力是当前一个主要的研究方向。

3 高性能计算的发展高性能计算的发展高性能计算的发展高性能计算的发展方向方向方向方向 3.1 混合体系结构已成为混合体系结构已成为混合体系结构已成为混合体系结构已成为HPC发展的趋势发展的趋势发展的趋势发展的趋势 建在东京技术研究所的TSUBAME采用的就是混合体系，除了使用10368个AMD双核Opteron外，3

60块加速卡为系统贡献了24％的性能，仅增加了1％ 的功耗。而IBM 将在2008年完成的名为RoadRunner的1600万亿次HPC中，总共
采用了16 000个Opteron和Cell两种不同架构的处理器。可以说，多核微处理器和面向领域的混合体系结构已成为HPC发展的趋势。 3.2 集群将成为超级计算系统的主流集群将成为超级计算系统的主流集群将成为超级计算系统的主流集群将成为超级计算系统的主流 集群架构的超级计算系统，特别是以采用普通商用芯片和内联技术组成的所谓“贝奥伍尔夫集群(Beowulf Cluster)”系统，在近几年获得突飞猛进的发展，迅速成为目前高性能计算架构的主流。在最新的全球500强排名上，确实已有超过70％的系统属于集群系统。它大受欢迎的主要原因在于其经济有效性和公开性，与MPP的不同之处在于，它一般采用廉价的普通IA服务器为运算节点，小规模的系统一般用以太网进行内联，规模大一点的和性能要求较高的系统多采用InfiniBand、QsNET 或Myrinet作为内联网络，外加免费的、公开的、通用的操作系统(Linux)和并行编程接口(MPI)，使超级计算机的造价告别了天文数字。 3.3 基于刀片式服务器的集群架构兴起基于刀片式服务器的集群架构兴起基于刀片式服务器的集群架构兴起基于刀片式服务器的集群架构兴起 刀片式服务器技术经历了不同的研究发展阶段，从1999～2001年最初的Blade Swich领域，及其后的体系结构(architecture)、存储虚拟化，到2004年刀片式服务器整体性能提升技术研究，再到2005年刀片式服务器的专用化研究，可以说刀片式服务器产品在多核、低功耗技术的推动下已完成从追求高计算密度的第一代刀片，发展到强调整体综合性能、高生产力的第三代刀片产品。未来的两到三年，刀片式服务器将以其高服务密度、敏捷式部署维护、全方位监控管理融合、高可扩展性、高可用性，全面取代传统的基于机架式服务器的Linux集群体系架构。预期基于刀片式服务器的Linux集群架构将兴起。 3.4 集群标准化深人泛高性能计算时代集群标准化深人泛高性能计算时代集群标准化深人泛高性能计算时代集群标准化深人泛高性能计算时代 2005年9月，国内服务器厂商曙光公司把泛高性能计算时代下集群技术总结为10大标准，为Lin—ux集群技术及应用推广打下了非常好的基础。继此之后，集群在远程／异地操作控制、一体化监控、集群负载均衡、智能机柜、异构支持、集群简易管理、集群快速部署、集群高速并行吞吐、集群安全、行业应用等方面的技术标准慢慢浮出水面，并被高性能计算行业所接受。标准化是行业应用成熟化的

标志，预计集群标准技术会有更进一步的发展和普及。 3.5 虚拟计算技术在集群应用中的深层次发展虚拟计算技术在集群应用中的深层次发展虚拟计算技术在集
群应用中的深层次发展虚拟计算技术在集群应用中的深层次发展 基于应用级集群虚拟计算技术不仅将带来更高的集群部件利用率，同时也会带来支持应用动态迁移、故障自动隔离、系统自动重构的高可靠集群应用环境，以及更为简洁、统一的Linux集群管理模式。伴随Microsoft的Virtual Server、VMware 的vMware Workstation和Xensource的Xen，以及Inte1的Vanderpool、AMD的Pacifica等部件级及系统级虚拟技术的兴起，预计未来几年虚拟技术在集群系统应用中将会有更深一步的发展 。 3.6 集群可信计算环境构造技术浮出水面集群可信计算环境构造技术浮出水面集群可信计算环境构造技术浮出水面集群可信计算环境构造技术浮出水面 基于商业计算及信息化应用对集群架构的普及推动，预计基于内外网隔离、统一身份认证、访问控制、分布式入侵检测、流量分析、应用层及传输层加密传输协议、主动防护等技术催生全新的集群应用可信计算环境构造技术框架，从而使计算机获得从物理层到应用层全方位的、多层次的、立体的集群应用安全环境，为高性能计算机的商业应用打下了良好的基础。 4 结论结论结论结论 从高性能计算发展的体系结构分布来看，MPP取代向量机和集群逐步替代MPP这两个进程的背后都是摩尔定律在起作用，高性能计算机体系结构的创新必须与半导体技术和产业发展相结合，否则很难变成主流技术，这也是SIMD系统、阵列机、数据流等新型体系结构没有流行起来的主要原因。目前，单处理器和SIMD方式来构建高性能计算系统的方式已不复存在；MPP仍然是HPC结构的主流，但是集群(尤其是SMP集群)将在不久的将来取代MPP结构的主流地位。 综上所述，超级计算机正在完成一个从科研工具和实验产品到产业应用的转变，具有广阔的发展空间。但高性能计算机的发展一直面临着挑战，其巨大的计算潜力与性能始终没有被充分应用起来。效率一直是高性能计算机最为突出的关键性问题之一， 高性能计箅机实际利用效率的高可用性将成为下一阶段的研究方向。