计算机组成原理之如何设计高性能计算机

1、计算机组成原理之如何设计高性能计算机如何设计高性能计算机姓 名：专 业：题 目：学 院：指导老师：学号： 电子信息工程如何设计高性能计算机*摘要 2关键词 2一、前言二、发展历史31 、萌芽阶段( 1964-1975 )2 、向量机鼎盛阶段( 1976-1990 )3 、MPP蓬勃发展阶段(1990年至今)三、工作原理4四、系统结构设计4五、计算机获得高性能的途径5六、操作系统5七、应用现状、市场5致谢 八、参考文献66高性能计算机之所以称为高性能计算机，主要因为其兼备运算速度快、存储容量大、可靠性能高几大特征，简单的来说，也就是它跟微机与低档 PC 服务器相比而言具有性能、功能方面的优势。不

2、过高性能计算机也有高、中、低档之分，中档系统市场发展最快，从应用与市场角度来划分，中高档系统可分为两种，一种叫超级计算机，另一种叫超级服务器。 High performance computer is called high performance computer, mainly because it has fast computing speed, storage capacity, high reliability of several major features, simple, which is compared with the microcomputer and low-gr

3、ade PC server has the advantages of performance, function. No highperformance computer has high, medium and low-grade division, class system is the fastest growing market,from the angle of application and market division, in high-end systems can be divided into two kinds, one kind is called super co

4、mputer, the other is called a super server.关键词： 高性能计算机部件技术 系统结构 应用系统 操作系统一、前言：高性能计算( High Performance Computing )目前是计算机科学的一个分支， 随着信息化社会的飞速发展，人类对信息处理能力的要求越来越高，不仅石油勘探、气象预报、航天国防、科学研究等需求高性能计算机，而金融、政府信息化、教育、企业、网络游戏等更广泛的领域对高性能计算机的需求迅猛增长。正是由于对高性能计算的要求越来越高，导致其已经潜移默化地极大推动了高性能计算机的发展。高性能计算机之所以称为高性能计算机，主要因为其兼备运

5、算速度快、存储容量大、可靠性能高几大特征，简单的来说，也就是它跟微机与低档 PC 服务器相比而言具有性能、功能方面的优势。不过高性能计算机也有高、中、低档之分，中档系统市场发展最快，从应用与市场角度来划分，中高档系统可分为两种，一种叫超级计算机，主要是用于科学工程计算及专门的设计，如 Cray T3E ；另一种叫超级服务器，可以用来支持计算、事务处理、数据库应用、网络应用与服务，如 IBM 的 SP 和国产的曙光2000 。二、发展历史：综观近年来高性能计算机的发展，其主要经历了三个发展阶段: 萌芽阶段、向量机鼎盛阶段和大规模并行处理机(MPP)蓬勃发展阶段。1 、 萌芽阶段( 1964-19

6、75 )1964 年诞生的CDC6600被公认为世界上第一台巨型计算机，其运算速度为IMflops70年代初研制成功STAR-100向量机，这是世界上最早的向量机。随后于 1974年，诞生了 世界上最早的 SIMD 阵列计算机-ILLIAC-IV 并行机。2 、向量机鼎盛阶段( 1976-1990 )1976 年，CRAY公司推出CRAY-1向量机，开始了向量机的蓬勃发展，其峰值速度为 0.1Gflops.1985 年， CRAY-2， 1G flops1990 年 , SX-3,22G flops1991 年， Cray-YMP-C90,16Gflops向量机处理对提高计算机运算速度十分有利

7、，有利于流水线的充分利用，有利于多功能部件的充分利用，但由于时钟周期已接近物理极限，向量计算机的进一步发展已经不太 可能。3 、MPP蓬勃发展阶段（1990年至今）就在传统向量机逐渐萎缩的同时，应来了大规模并行处理MPP机蓬勃发展的时代。各种新技术层出不穷，大公司也纷纷介入。这一时期的代表机型有： 1989 年， BBN 公司的 TC20001992 年，Intel 公司的 Paragon , TMC公司的 CM-51993年，Cray 公司的T3D1994 年， IBM 公司的 SP21996年，Cray 公司的T3E ， Hitachi 公司的 SR2201SGI 公司的 Origin20

8、00 ， Intel 公司的 ASCE RED其中，1996年12月宣布的ASCI RED,运算速度超过了万亿次/秒。截至 2000 年 6 月，世界上已有14 万亿次机，超过3000 亿次机 62 台。排名世界前10名的均为MPP , MPP已成为高性能计算机的主流产品。三、工作原理高性能计算机在运行时，先从内存中取出第一条指令，通过控制器的译码，按指令的要求，从存储器中取出数据进行指定的运算和逻辑操作等加工，然后再按地址把结果送到内存中去。接下来，再取出第二条指令，在控制器的指挥下完成规定操作。依此进行下去。直至遇到停止指令。程序与数据一样存贮，按程序编排的顺序，一步一步地取出指令，自动地

9、完成指令规定的操作。四、系统结构设计目前高性能计算机体系结构的主流是，通过将更多的处理器连接起来构建更大规模的并行系统。网格是近年来计算机体系结构发展的一个重要方向，但是用网格技术的实现还存在很大的上升空间 : 一方面互联网连接的速度和带宽仍有待提高；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还不能直接有效的利用。因此，高性能计算机的设计应从构成部件技术、系统结构与应用系统三个层面来考虑，同时为增强系统的可靠性、可用性、可维护性及性能价格比等特征, 设计时需要对电耗性、冷却系统、机器体积与运行

10、环境、造价等综合考虑。然而集群这种兵航或分布式多处理系统，能够提供一种价格合理、具有高性能和高可靠性的并行计算方案，如图示：五、计算机获得高性能的途径1 、提高部件性能及其限度，主要包括： cpu 、内存、磁盘、网络； 2 、设计并行处 理，做到设计优化、性能优化；3 、开发局部性，这方面可以通过“空间局部性”（ cache 内的数据块、内存中、结点中、本地机器内）、“时间局部性”（最近用到的数据）来实现；4 、周期隐藏。六、操作系统：高性能计算的操作系统由最初的 Unix 操作系统为主，目前随着集群架构的逐渐广泛和 Linux 操作系统的逐渐成熟， Linux 操作系统逐渐成为高性能计算机的

11、主流，占到 80% 以上的市场份额。为了使得集群系统有较好的兼容性，可以配置多种操作系统，如 linux Windows HPC server 等。七、应用现状、市场总的说来，高性能计算机在国内的应用还比较落后，主要原因在于装备不足、联合和配套措施不力及宣传教育力度不够。首先，国内高性能计算机的装机量明显不足。 1997 年世界高性能计算机的销售额美国约为 220 亿美元，中国约为 7 亿美元。美国的微机销售额约占世界市场的38%高性能计算机占世界的34%均高于其GDP所占世界份额（25%右）。中国的微机销售额约占世界市场的3%高于中国GDP的份额（2.6%）;但中国高性能计算机销售额所占世界

12、份额仅为1%左右，低于GDP的份额。从另一个角度看，中国的微机市场接近美国的 1/10 ，但中国的高性能计算机市场不到美国的1/30 。装备不足严重影响了高性能计算机应用的开发和人才的培养，这些反过来又影响了高性能计算机的使用和装备。值得庆幸的是，随着网络化和信息化工作的深入，国内社会已开始意识到高性能计算机的重要性。 1999 年，中国高性能计算机的市场销售额猛增了 50% 以上。不过通过这十几年的发展，我们国家高性能计算机应用已经有了突飞猛进的进步，相信在未来的几年里，其应用一定会更加广泛，并且它的市场前景也是很不错的。八、参考文献1 王移芝，罗四维大学计算机基础教程北京：高等教育出版社， 20192 杨振山，龚沛曾大学计算机基础（第四版）北京：高等教育出版社， 201920193 冯博琴，大学计算机基础北京：高等教育出版社，4 李秀等，计算机文化基础（第 5 版）北京：清华大学出版社， 20195 June jamrich Parsons ， Dan Oja 计算机文化北京：机械工业出版社， 20016 冯博琴大学计算机北京：中国水利水电出版社， 20197 丁照宇等计算机文化基础北京：电子工业出版社， 20028 张尧学等计算机操作系统教程北京：清华大学出版社， 20029 陶树平等计算机科学技术导论高等