计算机系统结构课件

计算机系统结构

课程介绍

尚艳艳

福州大学数计学院

2009-2010学年第一学期

课程目标

本课程是计算机科学与技术专业的一门的基础课程。

本课程主要包括讨算机系统结构基本概念、组成及

相关设计原理；计算机索统结构各组成部分的相关

技术、分析及设计方法；计算机系统设计的基本方

法。通过本课程的学习，使学生理解计算机余统的

基本工作原理，以及在硬件、软件界面划分的权衡

策喙，建立完整的、系统的计算机软硬件整体概念。

课程主要内容

❖计算机系统结构概论

♦教据表示、寻址方式与指令柒绕

♦:♦存储、中新、总线与1/。系统

♦:♦存储体系

❖流水和指令级高速并行的超级机

❖阵列处理机

❖多处理机

♦:♦数据流机和规约机*

♦:♦多核技术

课程的重点

♦:♦从整体上掌握计算机系统的工作原理，以讲授计算

机宗统结构的其末概念和其本原理为主，而不具完

整介绍各种系统结构，即不是以具体的机器为实例

此行教学

♦:♦让同学们明白计算机技术发展的趋势及影响，激发

学习期情、钻研和创新精神

❖了解新技术、新概念，犷大知识面

/如：RISC、RAID,SMP、Cluster等

/如：网格计算（GridComputingJ

,如：多核技术CMulticoreJ

/如：Itanium2与Opteron等

计算机发展的基础

•科技技术的飞速发展

＞主要是半导体技术的发展

＞机、磁、光、生物等技术

＞市场效应是主要推动作用

计算机技术的发展

♦:♦自1946年以来，计算机60年有了惊人的发展

③性能：（加法）速度提高了5个数量级

③计算机性能以大约每年35%的速度提高

侬价格：令天$1000的机器相当于60年代中$106的机

器，这里同性能计算机的价格比，改善了3个教

量级。

*从发展过程中体会本课程的含义。

指数增长的世界

网络vs.计算机性能

处理器速度每18个月翻一

番

存储密度每12个月翻一选

网络速度每9个月翻一番

1986-2000

计算机：500

网络：x340,000

2001-2010

计算机：X60

网络：x4,000

GordonMoore(FounderofIntel)observedin1965thatthenumber

oftransistorsthatcouldbecrammedonachipdoublesevery

year.ThishasCONTINUEDtobetruesincethen.

TransistorsPerChip

摩尔定律（1979年）

♦:♦假设桧片价格保持不变，则微处理器桧片上

的晶体管教，每隔18・24个月便翻〜番

♦:♦假设微处理器价格保持不变，则微处理器速

度每隔18-24个月便翻一番

♦:♦假设微处理器速度或恙片内存储器态量不变,

则微处理器桧片价格每18-24个月将降低约

48%

摩尔定律即将终结

♦:.Intel公司负责内部恙片设计的首席技术官盖

东欣格认为：以地球文明所拥有的材料环境,

如果桧片的耗能和散热问题不解决，贝九

e2005年这片上集成2亿个晶体管，热的像核反应

堆

8到摩东定律就至年，2010年，就会达到火箭发射

时高温完体啧嘴的水平

侬2015年，就会与太阳的表面〜样热

Processorperformance,asmeasuredbytheSPECbenchmark

hasalsorisendramatically.

MemoryCapacity(andCost)havechangeddramaticallyinthe

last20years.

size

yearsize(Mb)eyetime

19800.0625250ns

19830.25220ns

19861190ns

19894165ns

199216145ns

199664120ns

2000256100ns

Year

BasedonSPEED,theCPUhasincreaseddramatically,but

memoryanddiskhaveincreasedonlyalittle.Thishasled

todramaticchangedinarchitecture,OperatingSystems,

andProgrammingpractices.

CapacitySpeed(latency)

Logic2xin3years2xin3years

DRAM4xin3years2xin10years

Disk4xin3years2xin10years

Scalingto0.1pm

♦SemiconductorIndustryAssociation,1992

TechnologyWorkshop

❖Projectedfuturetechnologybasedonpasttrends

199219951998200120042007

Featuresize：0.50.350.250.180.120.10

-Industryisslightlyaheadofprojection

DRAMcapacity：16AA64AA256M1G4G16G

-Doublesevery1.5years

-Predictionontrack

Chiparea(cm2)：2.54.06.08.010.012.5

-Wayoff!Chipsstayingsmall

♦：♦芯片制造工艺在1992年以后，从0.5微米、0.35微米、0.25

微米、0.18微米、0.15微米、0.13微米、90纳米一直发展到

目前最新的65,45纳米,

而45纳米和30纳米的制造工艺将是下一代CPU的发展目标。

目前研发28纳米芯片

Intel的45纳米处理器

2008年11月16日，英特尔在中国一口气发布了16款主要面向服务

器和高端PC的新一代45纳米“Penryn”处理器。

相比先前采用65纳米技术构建的处理器芯片，新型英特尔45纳米

(1纳米=10亿分之1米)处理器的晶体管密度几乎翻了一番，这就

相当于四核处理器上装载了8.2亿个晶体管。

Penryn与酷睿相比，芯片片尺寸方面缩小了25%,而晶体管数

量方面则上升了40%,晶体管总数量达到8.2亿个。

在节能方面，45纳米工艺可以使芯片功耗降低30%,采用更高介电

常数的金属本册极取代传统的低介电常薮(low-k)的二氧花硅林极漏

电率降低到原来的1/5T/10,并大幅度提高晶体管开关速度。

旧M的28纳米技术研究

♦IBM与其众多合作伙伴正在制定一项28nm的半导体研究计划。

它将提供更加完善的性能、降低功能设计及更好的电池寿命,

这些技术可能未来都将应用于移动设备和消费级电子设备当

中。该联盟一直致力于32纳米的研究，现在也轻易的从32nm

过渡到了28nm,并且能够使产品轻松的从32nm平台过渡到

28nm。

80

Dollarsper

DRAMchip

Year

©2003ElsevierScience(USA).Allrightsreserved.

$1000

1000MHz

$900

$800

$700

$600

Intellistprice

(1000units)$500

$400

$300

$200

$100

Date

©2003ElsevierScience(USA).Allrightsreserved.

100,000

Performance

CPU与Memroy的性能呈现剪刀差

©2003ElsevierScience(USA).Allrightsreserved.

目前最快的计算机（2007年）

❖世界最快的500台计算机系统2007年11月

osNol:IBMBlueGene478.2万亿次/秒

eNo59:IBM（胜利油田）18.6万亿次/秒

eNo250（82）:曙光（上海超算中心）8.061万亿次/秒

中国最快的100台计算机系统2007年11月

eNo1:胜利油田旧M18.6万亿次/秒

eNo3:上海超级计算中心曙光8.061万亿次/秒

No100:沈阳电信浪潮1.265万亿次/秒

侬No100+:山东省高性能计算中心浪潮0.749万亿次/秒

2008上半年top10

RartkSiteComputer

Roadrunner«BladeCenterQtS22/LS21

DOE/NMSZVLyxNLCluster,PowerXCell8i3.2Ghz/Opteron

1

UnitedStatesDC1.8GHz.VoltaireInfiniband

IBM

DOE/NNSZMLLNLBlueGene/L-eServerBlueGeneSolutior

2

UnitedStatesIBM

ZXrgonneNationalLaboratoryBlueGene/PSolution

3

UnitedStatesIBM

TexasAdvancedComputingRanger-SunBladeKB42O.OpteronQuad

4Center/UnivofTexas2Ghz.Infiniband

UnitedStatesSunMicrosystems

OakRidgeNationalJaguar-CrayXT4QuadQore21GHz

5LaboratoryCrayInc.

UnitedStates

For3chungszentrumJuelichJUGENE-BlueGene/PSolution

6(FZJ)IBM

Germany

NewMexicoComputingBncanto-SGIAltixICE8200.Xeonquad

ApplicationsCenter

7core3.0GHz

(NMCAC)SGI

UnitedStates

ComputationalResearchEKA-ClusterPlatform3000BL46Oc,

8Laboratories,TATA.SONSXeon53xx3GHz,Infiniband

IndiaHewlett-Packard

IDRISBlueGene/PSolution

9

FranceIBM

TotalExplorationProduction

1O30GHz此

Francewrwwv・IP—・J-

2008年6月初创刚完工的IBM

Roadrunner（走鹃）排名NO.1,

安放在美国能源部LosAlamos

国彖实验室，由IBM

PowerXCell3.2GHz和AMD

OpteronDC1.8GHz两种处理器

组成，拥有122400个计算核心，

最高性能1.026PFlops,峰值性

能1.37578PFlops,功耗2345.5

千瓦特。

从部署的国彖来看，美国依旧在高性能计算领域占据着

优势的地优。最新的TOP500系统中，有257套部署在美

国，竟然占到了TOP500的一半多。与之相比，在TOP500

的系统中仅有12套部署在中国。

Countries/Systems

June2008

UnitedStates

Architecture/Systems

June2008

ProcessorFamily/Systems

June2008

IntelEM64T

-Others

IntelIA-64

AMDX8664

Power

2008下半年top10

RankSiteComputer

Roadrunner-BladeCenterQS227LS21ClusterPowerXCell8i32Ghz/Opteron

DODNNSAfl_ANL

DC18GHzVoltaireInfiniband

UnitedStates

IBM

OakRidgeNationalLaboratoryJaguar-CrayXT5QC2.3GHz

UnitedStatesCrayInc.

NASAyAmesResearchCenter/NASPleiades-SGIAltixICE8200E<XeonQC3.0/2.66GHz

UnitedStatesSGI

DOBNNSAflJJJLBlueGsne/L-eServerBlueGeneSolution

UnitedStatesIBM

AfgpnneNationalLaboratoryBlueGene/PSolution

UnitedStatesIBM

TexasAr^ancedComputing

Ranger-SunBladex6420.OpteronQC23Ghz,Infiniband

CenterAJniv.ofTexas

SunMicrosystems

UnitedStates

fJERSC/LBNLFranklin-CrayXT4QuadCore2.3GHz

UnitedStatesCrayInc.

OakRidgeNationalLaboratoryJaguar-CrayXT4QuadCore21GHz

UnitedStatesCrayInc.

NNSA/SandiaNationalLaboratoriesRedStorm-Sandia/CrayRedStormXT3/4,24/2.2GHzdual/quadcore

UnitedStatesCrayInc.

Dawning5000A•Dawning5000A,QCOpleron19GhzInfinibatia,W/iYdows

ShanghaiSupercomputerCenter

ChinaHPC2008

Dawning

2009上半年top10

RankSiteComputerfYearVendorCom^mAxRpon*Power

Rcadrunner-BladeCenter

DO&TiMSAA.ArnQS22a»S21Clust«fPo^etXC«M

1UnitedStates8i32GhZJOpternnDC18GMx1296001105.00145670248347

VcliAaoinftniMnd/2008

IBM

Odk，y*ofuaJLatofMoryJeguar•CrayXT5QC23GHz/

2UnitedSlates2008150152105900138140695060

CrayInc

，

ForschongwantrumJu<Hcti(FZJ|JUGEllE-SlueGene/PSolution

Germany200929491282550100270226800

DIBM

HASA/Ame福Re&ea?chPleiades・SG；E8200EX

4Cftoi/NAS35X301266GHr/2008512004870160883209000

UnitedSlatesSGI

B>ueOeae/U-eS^rwrBlu«Gene

DOE/NMSAO.LNLS<»iuiH-)n/2007

5UnitedStates21299247620596382329SO

IBM

instiluiefor

Krak*fiXT5・CrayXT5QC23

ComputaticnjMGHr/2008660004633060720

ScienceWUnrwetsUyofCrayinc

DUnitedStares

AcgonmiNationalLwboovtay9lu*jGerr»*P八/2007

11638404686155706126000

UnitedSlatesIBM

Rangei•SunBiadax6420

T♦xa3AcJvancedComputing

Op<efonQC23Ghx.Infinib«nd/

8Centei/Untv.ofTexas629764332057938200000

2008

UnitedStates

SunMicrosystems

Dawn-BheGemWPSolution/

gE/NMSA/LLNL

UnitedStates20091A74564157050135113400

DIBM

JUROPA-SunConstetlation.

Ncr/aScaleR422-E2IntelXeon1rl

X5570293GHz.Sun

ForochungsxontrumJueUch(FZJ)263G4潘璇潴自54.00

GermanyM^^ettanoxQDR

3InfinitKirMVPartecPjua5tM>on/［阳1m④a®0JB

2009

BullSA

FiankhnCiayXT4QuitdCone2.3

NERSC^BtH

11

UnrtedSlatesGMx/20082663035551115000

CrayInc

加・

OakRsdgoNationalLaborsory9urGayXT4OuadCore21

12UnitedStatesGHz/2008309762050026020158071

CrayInc

・

f4NSAfSancftaNjmonalRedSlormSandia?CrayRd

StormXT3?42a22GHs

13382082M2028400250600

dWqu&dcore(2008

UnitedStates

CrayInc

KingAbdnlUhUnrverartyofShaheenBlueGene^PSdmion/

14Scwnceandl>cbnofcogy200965536185172228250400

SaudiaArabiaISM

MagicCubeDawnmgS00QAQC

ShanyhviSupviccmputorC«n1«rOpteton19Ghr.InMibaM

15307201806023347

ChinaXrtdowsHPC2008/2008

Dawrung

SciUVUniMH5ttyatTotontoGPC-iDal^PYex.XeonE55xxQC

253GHzGigE/200930240168603060386940

16Canada

IBM

Ne»MexicoComputingEnum。•SGIAJttxICE8200.

17AgkHM*Cnntet(NMCAC)gnc；Ui>d3。i0G士/20071433613320172038€163

UnitedSlatesSGI

ComputationalReeeafchEKA■ClusterPtattGiw3000

18LabcxMorie»,TATASOWSBL460c.Xeon53xx3GHi.1438413280172.6178600

InfirIL.WKS/2008

India

HeMdett-Pickafd

Juno.ApproXtremeSerx^r1143H

L^menceLEEWANMunal

OptemnQC22Gh^Inflmband/

19Laboimory182241316016220

UnitedStates2008

ApproInternational

GrandEquap^menlMotionalde

CalculIntvnwf・

J标SGIAHixICEB200EX.

tnformMiqueHatigsHde

20«<?onquadcoreJ0GHz/200812288

FEnseignementSvpeneur

SGI

(GEMC14>NES)I

France

Countries/Systems

June2009

UnitedStates

Others

India

Italy

UnitedKingdom

Canada

Sweden

-Japan

GermanyChina

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美国虽然丢掉了前十强中的又一个席位，但在全部500套系统中依然占据

291套，和半年前相同，英国以44套位列第二，另外欧洲从151套降至145

套、亚洲从47套增至49套，其中中国内地21套、香港1套、台湾1套

ProcessorFamily/Systems

June2009

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ProcessorGeneration/Systems

June2009

XeonE54xx(Harpertown)

£

eonL54xx(Harpertown)f

Others

Xeon51xx(Woodcrest)、1XeonE55xx(Gamestowr

PowerPC440

Xeon53xx(Clovertown)OpteronDualCore

/PowerPC450

/-POWER6

OpteronQuadCore

XeonX55xx(Gainestown)

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OperatingsystemFamily/Systems

June2009

Linux-

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OperatingSystem/Systems

June2009

Linux

-Others

SuSELinuxEnterpriseSt

WindowsHPC2008

CentOS

SLES10+SGIProPack5

CNL

AIX

CNK/SLES9

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NumberofProcessors/Systems

June2009

2049-4096

Others

128k-

32k-64k

16k-32k

4k-8k

1025-2048

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CountriesShareOverTime

1993-2009

UnitedStates

4

Japan

■Germany

HUnitedKingdom

S■France

E■Italy

汨

s

』■China

s

2oo■Canada

■Korea,South

■Netherlands

1oo■Switzerland

■Sweden

■Others

o

mXS9&86§ss3sss286

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I66v66=z8Z

u/UUUU/9/'/-

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ProcessorFamilyShareOverTime

51993-2009

Power

4oIntelEM64T

■IntelIA-32

港MIPS

■Sparc

S

E■PA-RISC

Z

S■Cray

A

S2oo■AJpha

・AMDX86_64

■Fujitsu

■NEC

1oo■IntelIA-64

■Inteli860

Others

O

寸

寸S9\86sSss9s86

S66

666666aoossSoSS

666I62zzz

UUS/sqAAU

9US、U/'''

SS0SSssosssSsSS

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Systems

06/1993

06/1994

06/1995

06/1996

06/1997

06/1998

06/1999

06/2000

06/2001

06/2002

06/2003

06/2004

06/2005

06/2006

06/2007

M06/2008

Dy

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ev06/2009■■■

Mr

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Systems

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06/20020S

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