高性能体系结构

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1、高性能计算的概念高性能计算（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。基本原理高性能计算方法的基木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吋间。高性能计算机历史冋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了领域,而且应用范围越來越广泛，逐渐出现了针对各种不同商

2、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年代岀现的向量计算机可以看作是第一代的高性能计算机。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木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Z间通过消息传递方式进行

3、通讯和协调。20世纪90年代中后期，CC-NUMA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）也迅速发展起來,类似MPP结构，集群系统是出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詁化计算机。由于规模经济成木低的原因，集群系统更具有性能/价格比优势高

4、性能计算机体系结构对于服务器而言，m纯地提高m个处理器的运算能力和处理能力正在变得越来越难，即使制造商从材料、工艺和设计等方面进行了不懈的努力，但提高单个处理器速度和性能已是强弩之末.研发多个CPU的并行处理技术，才是真正捉高现代服务器处理能力和运算速度的有效途径.2.1并行处理技术目前,SIMD技术、SingleProc技术、Const技术已经不再使用。并行处理技术主要冇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T0P500统计，T0P500屮的Cluster约占

5、70.8%MPP(含CC—NUMA)约占22%,而SMP约占7.2%.2.1.1SMP技术对称多处理(symmetricalmultiprocessing,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木，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/O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冇可用的处理器Z上.口前，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

6、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來支持处理器抢占内存，以及内存同步2.1.2NUMA技术在非一致访问分布共享存储技术(nonuniformmemoryaccess,NUMA)体系结构中，每个处理器与木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、T/0网络访问共享的T/0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

7、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木上呈线性扩展.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，由丁它具冇与SMP相同的编程模式，因此在科学与工程计算领域具冇不可替代的地位；其次，曲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

8、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_9J等优越技术.2.1.3Cluster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•其出发点是捉供高可靠性、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