計算機系統(tǒng)結構現狀與發(fā)展

計算機系統(tǒng)結構現狀與發(fā)展內容提要計算機系統(tǒng)結構四個層次的認識國內系統(tǒng)結構研究的現狀華中科技大學計算機系統(tǒng)結構學科介紹國內系統(tǒng)結構學科發(fā)展機會何在計算機系統(tǒng)結構四個層次的認識哲學：信息與數字數字的力量科學：后圖靈理論軟硬件的新定義；軟硬件互動現象；

終極信念技術：系統(tǒng)結構的AIPSN三角形處理、存儲、傳輸技術前沿與走向應用：無所不在的計算與后臺支持；

流式多媒體是未來應用的方向哲學層次信息與數字（為什么信息化等于數字化）數字的極其強大的表達信息的能力系統(tǒng)結構：研究對數字進行操作的機器系統(tǒng)—計算機的結構人類自然信息狀態(tài)（不借助任何工具和技術的狀態(tài)）輸入（獲?。嚎础⒙?、聞、嘗、感處理：大腦，世間最強大的處理器傳輸：聲音、手勢存儲：大腦輸出（表達）：語言、手勢、表情自然狀態(tài)的不足信息技術與工具和人類發(fā)明了機械和交通技術和工具一樣（主要是材料和能量技術），人類也發(fā)明了非常豐富多彩的信息技術和工具：輸入（獲?。和h鏡、傳感器（發(fā)展較晚）處理：算籌、算盤、計算器、計算機傳輸：烽火臺、旗語、鼓語、郵遞、書籍、交通、電報、電話、無線電、電視、Internet存儲：結繩計數、文字、繪畫、紙和印刷（非常偉大的發(fā)明，現代技術很多方面都沒有超過它）、照相、錄音、錄像、數字存儲輸出（表達）：文字、繪畫、聲音（音響）、圖形、圖像（顯示技術）（包括電影電視）現象：九九歸一，數字化大潮世紀之交的技術大轉移：數字化大轉移時間：世紀之交前后50年50年前開始，50年后成熟，信息領域數字技術一統(tǒng)天下目前正是轉移的高峰期：計算機與Internet、數字控制、數字錄音、數據通訊（目前主干，即將用戶）、數字電視、數字廣播、數字相機、數字攝像、數字城市、數字流域、數字地球……...數字化生存50年后，不是數字的信息產品很難見到（成熟）信息統(tǒng)一于數字！潛在的真理

WHY?

“電”是人類至今為止找到的最佳能量媒介（電統(tǒng)治了能量領域）終于找到了！“bit”是人類至今為止找到的最佳信息媒介（信息統(tǒng)一于數字）

數字的力量thepowerofdata1.可表達各種信息形式（人能接受的信息：文字、聲音、圖形、圖像、視頻；觸覺？嗅覺？味覺？；機器能接受的信息：電流、電壓等）（“比特”強大的表達能力）2.可表達人的思想、辦法、事物的規(guī)律

（程序的力量）3.可用單一的形式進行處理、傳輸、存儲（實現的簡單性）(任何信息設備都是相似的）與數學的比較數學是抽象描述客觀世界的靜態(tài)符號系統(tǒng)“比特”在計算機的操作下，成為客觀世界動態(tài)的符號系統(tǒng)“bit”表達信息的范圍〉〉數學表達信息的范圍所以，計算機始于計算，但高于計算計算機真正的能力在于對“bit”進行操作（有步驟的處理、傳輸、存儲）科學層次計算科學的開山之作：圖靈機模型圖靈理論希爾伯特問：存不存在一個解決所有數學問題的一般算法？圖靈答道：有！圖靈理論的俗解：如果不考慮時間，只要對bit進行處理、移動、存儲操作，就能解決任何數學計算問題！這個理論指明了bit的強大功能，也包含了計算機的設計思想后圖靈理論只要對bit進行處理、傳輸、存儲，就能解決幾乎一切信息問題！系統(tǒng)結構的信念：只要處理、傳輸速度足夠快，存儲容量足夠大，一切信息問題都能解決?。ù嬖谥@樣的可能性）這個結論給我們一個信念：數字化信息世界一定能實現！硬件、軟件的新定義硬件：轉換域硬件：1、將各種形式的信息轉換為數字信息；2、將數字信息轉換為各種形式的信息（圖像、聲音、文字輸入輸出設備）數字域硬件：對數字進行處理、傳輸、和存儲的硬件（計算機系統(tǒng)結構研究的對象）數字域的三種操作處理：對數字進行改變性操作

CPU,DSP,ASIC,邏輯電路傳輸：對數據進行有目的的移動操作總線、網絡（機器內部網，LAN，WAN，INTERNET，無線網絡）存儲：對數據進行不變性的保存RAM，ROM，FLASH，硬盤，光盤，存儲系統(tǒng)（RAID，NAS，SAN）軟件新定義（可運行的）思想和內容的數字化思想：算法、規(guī)律、辦法（由程序承擔）內容：圖形、圖像、數據、聲音、文字等所有的硬件都是相似的，軟件則各有各的不同

各種硬件在數字域都有相同或相似的內臟各個領域都有自己的軟件，但也有共性軟件（這就是我們從事計算機行業(yè)的人要干的事，系統(tǒng)軟件：OS，數據庫，普遍使用的應用軟件）軟硬件獨立原理和互動原理獨立原理：軟件理論上能實現的功能本質上與硬件是獨立的（不管硬件是何種形式）互動原理：軟件實際能實現的功能受制于硬件，硬件發(fā)展一個臺階，軟件就能發(fā)展一大步終極信念數字表示信息的能力是極為強大的最強大之處在于表達人的思想人的思想是無限的所以，利用數字進行創(chuàng)造的可能性也是無限的只要足夠快，就能實現某種創(chuàng)造歷史的回顧跟隨法與超前法計算機系統(tǒng)結構的總趨勢加快處理的速度加快傳輸的速度加大存儲的容量和加快存儲的速度加快：1。器件快

2。結構快（系統(tǒng)結構研究的課題）工程層次利用已有的器件技術，在一定的價格限制下，設計出性能最好的計算機（系統(tǒng)結構的任務）計算機---數字操作機器件的變化：機械、繼電器、電子管、晶體管、集成電路、LSI、VLSI、ULSI、量子計算機、光計算機、生物計算機……APSNI系統(tǒng)結構AIPSN圖系統(tǒng)結構AIPSN圖總目標：加速AccelerationA：Architecture,Amdalh’slawI:Instruction,InterfaceP:Processing,ParallelS:Storage,SystemN:Network,coNnection硬件前沿處理以處理器的發(fā)展為核心發(fā)展動力：1.晶體管數按摩爾定律增加

2.頻率提高過去水平（1978）：Intel8086,3微米工藝，2.9萬個晶體管，6MHz目前水平（2001）：Alpha21464,0.125微米工藝，25000萬個晶體管,大與2GHz將來水平（2005）：10億晶體管，頻率？處理器芯片內的技術現有技術：以指令級并行技術為主流水線：指令流水線、數據流水線超標量：多套部件、片內SIMD、VLIW后RISC、多媒體擴展指令前沿技術：多個處理核心集成在單個芯片中

摩爾定律(Moore’sLaw)

假設價格保持不變，處理器芯片上的晶體管數每18個月翻一番1979-2001，22年精確的符合還要符合10年以上印度舍漢姆國王與大臣的故事（64方格棋）（最后一個方格放18446744073709551615粒麥子，20位數，要數5840億年！）世界第一臺電子計算機ENIAC18000個晶體管70000電阻器18000電容器30噸V-IRAM1:0.25μm,FastLogic,200MHz

1.6GFLOPS(64b)/6.4GOPS(16b)/16MBMemoryCrossbarSwitchMM…MMM…MMM…MMM…MMM…MMM…M…MM…MMM…MMM…MMM…M+VectorRegistersx÷Load/Store16KIcache16KDcache2-waySuperscalarVectorProcessor4x644x644x644x644x644x64or8x32or16x164x644x64QueueInstructionI/OI/OI/OI/OSerialI/O處理能力的需求無止境

科學計算、商業(yè)應用、網絡應用對計算能力的需求是單個處理器所無法滿足的解決辦法：系統(tǒng)技術并性處理：多處理器（SMP,cc-NUMA）多計算機（MPP，CLUSTER,GRID)無所不在的計算

PervasiveComputing計算機發(fā)展的特點：1.無所不在的含有智能的小裝置；2.支持服務的后臺巨型計算機將來的處理技術量子計算（最令人鼓舞的進展）光計算（目前狀況，速度快，集成度低）生物計算（DNA計算機，起步階段）存儲的前沿半導體存儲：RAM,ROM,FLASH的高速發(fā)展目前硬盤存儲：100GB2萬轉/分實驗室水平：一道一GPC機的主流硬盤容量增加2,000倍10MB100MB500MB4GB10GB20GB存儲前沿（續(xù)）光存儲：CD-ROM，DVD，MO近場光記錄，全息存儲數字化信息的增長趨勢爆炸性增長（主要爆發(fā)點：多媒體，Internet)----容量需求不斷的增長----可擴展性需求WirelessOnlineVideoE-CommerceCustomerMgmt.DATADataAnalysisEnterprise

ApplicationsClient/Server70’s 80’s 90’s 00’s 10’sBasic

AccountingExplosioninDataVolumes數據信息爆炸式增長典型的存儲容量需求挑戰(zhàn)網站多媒體,XonDemand數字化XX:數字化流域，數字化城市，數字化地球…...電子商務虛擬現實人類基因庫從現在起的18個月內,新的存儲量等于有史以來老的存儲量之和!

———1998年圖靈獎獲得者JimGray性能：瓶頸的轉移應用的轉移CPU瓶頸70年代90年代網絡瓶頸80年代內存瓶頸00年代海量存儲瓶頸共享處理機

共享存儲器里的數據Makethecommoncasefast!Network網站的存儲：幾十萬用戶同時點擊到一個站點去獲得海量存儲系統(tǒng)中的信息。WWW:worldwideweb變?yōu)閣orldwidewait數據是最寶貴的財富對很多領域，數據是比硬件設備寶貴得多的資源:銀行、電信、保險、電子商務、網站、企業(yè)信息………

信息安全（數據備份，災難恢復）現有的存儲體系結構Directattatchedstorage（DAS）直連存儲Centralizedstorage集中式存儲Network-attatchedstorage(NAS)附網存儲Storageareanetworks(SANs)存域網Direct－attachedstorage

（DAS）直連存儲結構圖Centralizedstorage

集中式存儲結構圖Network-Attachedstorage

（NAS）附網存儲結構圖StorageAreaNetworks

（SAN）存域網結構圖SAN的構成IBMSUNSymmetrix

StorageHubS10/L10SwitchF16IntegratedManagementHPJBOD’s&ArraysTapeLibrariesNTBridgeFC4/2HighSpeedNetworkHPUXServersServersSANStorage

DevicesFC10FC3012HMC256HPEQUATIONARCHITECTUREHPSureSpan傳輸前沿寬帶網絡主干網已完全光纖化（傳輸容量10-100Tbps，路由交換10G-1Tbps)接入網的瓶頸正在攻克(xDSL,ISDN,Cablemodem,FTTH)（Internetmovie)無線網方興未艾(視頻手機，移動計算，Bluetooth技術）不同的應用對計算機的要求是很不一樣的科學計算：浮點性能商業(yè)應用：事務處理能力網絡服務：響應時間、傳輸能力通用機：綜合性能不同的應用要用不同類型和不同系統(tǒng)結構的計算機應用層次軟件前沿1.以INTERNET為平臺的軟件Microsoft.NET,I軟件（InternetInside)JAVA,GRID2.智能軟件智能人機界面（語音識別、自然語言理解、手勢識別）3.多媒體與虛擬現實軟件多媒體表達，多媒體查詢，VR互動“bethere”—三維全息實體顯示系統(tǒng)結構未來幾年的熱點移動多媒體計算1。無所不在的小裝置2。強大的后臺支持結構小結哲學層次：數字與信息的關系科學層次：后圖靈原理，認識“bit”強大的力量工程層次：系統(tǒng)結構研究的內容如何設計高性能的計算機應用層次：計算機的設計及結構特點與應用緊密