高性能计算机体系结构的研究

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1、高性能计算机体系结构的研究学院：计算机与通信学院专业：计算机应用技术姓名：贺言君学号：122081203001日期：2012年10月27日21摘要：高性能计算（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机能力来处理大型计算问题。它的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。高性能计算机的研制水平受探求复杂的物理世界与人类社会本身的应用计算需求的驱动及研制者所处环境及当时的可选择的实现技

2、术的影响。本文主要介绍了高性能计算机的体系结构，同时，对高性能计算机的历史和发展方向也做了简单的介绍与分析。关键字：高性能计算机；集群；体系结构正文1.高性能计算机的历史回顾最早的电子计算机就是为了能够进行大量繁琐的科学计算而产生的。从1960年开始，计算机技术逐渐成熟，在各种商业领域慢慢地开始采用电子领域，而且应用范围越来越广泛，逐渐出现了针对各种不同商业用途的计算机，被称为“通用计算机”，具有性能和功能上的优势的一类计算机被称为“高性能计算机”，在当时主要用于科学计算。20世纪70年代出现的向量计算机可以看作是第一代的高性能计算

3、机。20世纪80年代初期，随着VLSI技术和微处理技术的发展，向量机一统天下的格局逐渐被打破。通过多个廉价的微处理器构建的并行化超级计算机首先从成本上具有了无可比拟的优势。20世纪90年代初期，大规模并行处理（MPP）系统成为了高性能计算机的发展主流。MPP主要通由多个微处理器通过高速互联网络构成，每个处理器之间通过消息传递方式进行通讯和协调。20世纪90年代中后期，CC-NUMA21结构问世，即分布式共享内存。每个处理器节点都可以访问到所有其他节点的内存，但访问远程内存需要的延迟相对较大。CC-NUMA本身没有在提高性能上进行较大

4、的创新，而对于科学计算任务，CC-NUMA是否优于MPP仍存在争议。在发展CC-NUMA的同时，集群系统（cluster）也迅速发展起来，类似MPP结构，集群系统是由多个微处理器构成的计算机节点，通过高速网络互联而成，节点一般是可以单独运行的商品化计算机。由于规模经济成本低的原因，集群系统更具有性能/价格比优势电子计算机在诞生之初主要就是为科学计算服务的。到1960年代，随着技术的成熟，计算机开始走向各种商业领域的应用，并且应用范围越来越广泛。因此，为了有别于“通用计算机”，专门针对科学计算进行优化设计的计算机开始被称为“高性能计算

5、机”，或简称HPC。可以把1970年代出现的向量计算机看作是第一代的高性能计算机。通过在计算机中加入向量流水部件，可以大大提高科学计算中向量运算的速度，其中比较著名的有CDC系列、CRAY系列、NEC的SX系列向量机。中国有代表性的是银河一号及中科院计算所的757计算机。80年代初期，随着VLSI技术和微处理器的技术的发展，向量机一统天下的格局逐渐被打破。通过多个廉价的微处理器构建的并行化超级计算机首先从成本上具有了无可比拟的优势。“性能/价格比”而非单一性能成为衡量高性能计算机系统的重要指标。按照摩尔定律速度发展的微处理器的性能快

6、速超越传统向量机。1990年代初期，大规模并行处理（MPP）系统已经开始成为高性能计算机发展的主流。MPP主要由多个微处理器通过高速互联网络构成，每个处理器之间通过消息传递的方式进行通讯和协调。比较有代表性的有TMC的CM-5,IntelParagon等。中国的第一个MPP系统是计算所国家智能机中心的曙光1000计算机。较MPP早几年问世的对称多处理机SMP系统，是由数目相对较少的微处理器共享物理高性能计算机研究的现状与展望内存和I/O总线形成的计算机系统（国内最早基于微处理器的SMP为曙光1号）。和MPP相比，早期的SMP21扩展

7、能力有限，并不具有很强的计算能力。但由于SMP与单机系统兼容性好，是单机系统的升级与增强，被广泛应用于商业计算领域。1990年代中后期的一种趋势是将SMP的优点和MPP的扩展能力结合起来，这一趋势发展成后来的CC-NUMA结构，即分布式共享内存。每个处理器节点都可以访问到所有其它节点的内存，但访问远程内存需要的延迟相对较大。代表性的系统有SequentNUMA-Q,SGI-CrayOrigin等,国内的神威与银河系列等。CC-NUMA本身没有在提高性能的角度上进行较大的创新，主要优点是便于程序的开发和与SMP的兼容性。而对科学计算任

8、务CC-NUMA结构是否优于MPP系统仍存在争议。在发展CC-NUMA同时，机群系统（Cluster）也迅速发展起来。类似MPP结构，机群系统是由多个微处理器构成的计算机节点通过高速网络互连而成。节点一般是可以单独运行的商品化计算机。