并行处理技术及其在c3i系统中的应用

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1、并行处理技术及其在C3I系统中的应用海军大连舰艇学院二系火控教研室　　王基组摘要：本文阐述了并行处理技术的产生、基本思想、研究内容及其在第五代计算机中的地位；介绍了科学和工程计算中对大规模并行处理的需求－－科学和工程计算中十二个重大挑战。在并行处理技术必要性和重要性论述之后，探讨了并行处理技术与C3I系统的关系；介绍了并行处理技术在国外C3I系统中的应用；最后对并行处理技术及计算机系统在我海军C3I系统中的应用前景进行了展望。结论是：在当前的技术条件下，我们开展并行处理技术应用的研究不仅是装备发展的需要，同时在技术上

2、也是可行的。一、并行处理技术并行处理(ParallelProcessing)的基本思想是：将常规由单处理器处理的任务分成Ｎ个独立的子任务，然后用Ｎ个处理器并行处理这Ｎ个子任务，使得处理速度在理想条件下为串行处理的N倍，从而达到加快处理速度的目的。并行处理技术是在人们探索提高数字计算机数据处理速度过程中诞生的。随着硬件技术的发展，VLSI技术出现后，人们发现：尽管计算机硬件速度已经提高了七个数量级，计算机数据处理速度在某些高速大计算量领域中如天气预报、VLSI电路的计算机辅助设计、大型数据库的管理、犯罪控制、战略防御计

3、划、人工智能、图象信号处理、语音信号处理等仍显不足。其原因是大多数计算机结构属于常规的冯·诺依曼(vonNeumann)型结构，即计算机是由单个处理器和一个大容量的存储器连接构成的。处理器接受来自存储器的顺序指令流，每一条指令都被译码、执行。运行结果返送到存储器。这一过程反复进行，直到所有的指令都被执行为止。这种计算机结构和运行方式存在的主要问题是：指令的串行执行是高速处理的一个主要瓶颈，因而计算机的运算能力受到一个基本限制。第二个问题是在许多典型的计算机中，处理器与存储器是分开的，它们由很长的通讯线连接起来。这样处

4、理器/存储器的带宽就由与这些连线有关的RC时间常数所确定。对大多数电路而言，这一时间常数是相当大的，严重影响高速处理的实现。为了克服常规计算机结构的固有缺陷，人们产生了并行处理的思想，形成了并行处理技术，并研究以并行处理技术为基础的新型计算机结构。我们可以说，并行处理技术是四十年来微电子学、印刷电路、高密封装、高级处理器、存储器系统、外围设备、通信信道、计算机语言进化、编译器尖端化、操作系统、程序设计环境和应用的挑战等学科研究和进步的综合结果。并行处理技术是近三十年来计算机科学和工程领域中的重点研究课题。其研究内容包

5、括并行操作系统的设计和研制、并行算法设计与实现、并行计算机结构设计、并行处理语言设计、并行编译器设计、并行接口和并行计算机网设计等。并行处理技术的核心就是在计算过程的各阶段中实现最大的并行化，即在算法设计阶段、程序设计阶段、编译阶段以及运行阶段实现并行化。因此，需要一个理想的并行编程环境，实现并行编程语言、编译器以及并行开发工具与机器的硬件结构独立，从而方便并行计算机的开发和使用。并行处理技术是第五代计算机即智能计算机的关键技术之一。并行处理是第五代计算机的一个显著特点。我们知道，第五代计算机主要是以VSLI为硬件基

6、础，它能在一定程度上模仿人的思维和记忆，具有推理、学习和联想的功能；它可以使用数字、符号、图形、图象以及人类的自然语言，运用存储的知识去解决实际问题。第五代计算机的处理速度要比常规计算机高一千倍，能做每秒一亿次到十亿次逻辑推理操作，相当于现代计算机的每秒一百亿次至一千亿次的逻辑操作。第五代计算机的存储容量可达一百亿至一千亿字节。因此，第五代计算机的处理方式不能采用传统的串行处理，而采用分布式并行处理。目前，并行处理研究的一个重要方向是大规模并行处理技术及计算机系统。大规模并行处理的定义是随时间发展而变化的。就当前的技

7、术水平而言，任何含有成百上千个处理器的并行处理计算机系统都可以认为是大规模并行处理系统。随着计算机技术的发展，大规模并行处理系统的并行度将逐步提高。大规模并行处理是解决人类在科学和工程领域中所面临的重大挑战问题的唯一途径。美国在高性能计算机和通信计划中列举了十二个重大挑战问题，它们分别是：１、磁记录技术。磁记录工业将依靠使用计算机去研究静磁性和磁交换相互作用，以便减小磁盘上的金属镀膜的噪声。２、合理的药物设计。使用计算机辅助癌症和爱滋病治疗的研究，找到治这两种顽症的药物。目前使用高性能计算机已鉴别出阻止HIV病毒蛋白

8、酶作用的新的潜在剂。３、高速运输。在超级计算机上求解流体动力学方程，研究超音速的民用运输机。４、催化剂研究。利用高性能计算机设计化学反应催化剂，用于许多由酶催化控制的生物学过程。为了减少催化剂设计及其性能优化的时间，需要进行大规模并行量子模型的仿真计算。５、燃料燃烧。使用计算机进行化学动力学计算，设计出更好的发动机模型，提高燃料的燃烧效率。６、