本科系統(tǒng)結構課件 計算機發(fā)展前景

一、引言21世紀將是高度信息化的世紀,21世紀將是計算機化的世紀。在計算機大家族中,超級巨型計算機(或超級計算機)是計算技術發(fā)展的頂峰,它集中了現代高科技之精華,因而國際上公認超級計算機技術及其超級計算機產品是一個國家綜合國力的象征。行家們認為,在21世紀超級計算機將是決定誰能在經濟和科學技術上居于領先地位的關鍵因素。美國國防部曾聲稱"超級計算機是計算技術的頂峰,如果超級計算機的研究與開發(fā)落后于外國,國家安全將受到威脅。"美、日以及西歐各國圍繞超級計算機,即萬億次量級的超級巨型計算機,已開展激烈的爭奪戰(zhàn),都想捷足先登,先發(fā)制人。為此,他們各施高招組織人力、物力、財力,制訂了發(fā)展超級計算機的五年或十年計劃。美國政府制訂了"超級計算機與通信"(HPC&C)的發(fā)展計劃,美國國防部也把超級計算列為"21世紀科研關鍵技術"之一,僅此一項,投資就達17億美元。為了保證在1995～2000年分別研制成功萬億次和百萬億次量級的高性能超級巨型計算機,美國國防部還準備撥款21億美元以支持此項研究任務的按期完成。如果此項計劃得以圓滿完成,將使美國今后十年的國民經濟總產值增加2000～3000億美元。日本也不甘落后,他們對美國發(fā)展萬億次量級的巨型機極為關注,計算機業(yè)界反應十分強烈,積極主張動用三倍于美國的巨額投資,集中人力、物力、財力,開展高技術基礎的設施建設(包括10個巨型機中心)。日本政府依據知識階層與計算機業(yè)界的強烈呼聲,于1992年制訂了國家直接領導、統(tǒng)一指揮,組織政府相關部門、計算機界廠商、高等學府聯合研究、成果共享、全面開發(fā)的國策,并把大規(guī)模并行計算機列為國家90年代的重點發(fā)展項目。日本政府依據此國策,制訂了為期十年的"真實世界計算機計劃"(簡稱RWC計劃),其中有兩項是發(fā)展萬億次量級超級巨型計算機的計劃。日本計算機業(yè)界則雄心勃勃,企圖從美國人的手中搶占巨型機霸主的世界領導權。西歐對于并行處理技術的研究以及并行機產品的研制也已有良好的基礎,特別是德、英、法對發(fā)展并行機系統(tǒng)十分重視,并于1991年制訂了"TeraFlop計劃"(即研制萬億次量級的大規(guī)模并行計算機),旨在5年內推出萬億次量級的超級巨型計算機。近五年來的實踐表明,要實現萬億次量級超級巨型機,非并行機型莫屬,即唯有大規(guī)模并行處理機才能勝任。傳統(tǒng)向量多處理系統(tǒng)是不行的,這是因為單個CPU的速度總會受到物理極限的制約,其性能總是有限的,即使采用多處理機結構形式,因其緊耦合勢必制約了微處理器的數量,最終導致系統(tǒng)性能有限而無法攻克萬億、百萬億次量級的難關。因此,只有并行機才能擔負攀登萬億次量級的大關,挑起計算機業(yè)界的歷史使命。二、并行機領域的熱點與發(fā)展動向1.向量處理機高度并行化模式的興起近年來,美、日兩國的許多著名巨型機廠商,興起了傳統(tǒng)向量巨型機技術和大規(guī)模并行處理(MPP)技術相結合的綜合性處理技術,以提高系統(tǒng)的性能。向量處理機高度并行化,既能保持同以往傳統(tǒng)向量巨型機軟件的兼容性,又能大幅度提高系統(tǒng)運算速度。例如,CrayResearch公司的CRAY-YMP系列、日本富士通公司研制的VPP500等。業(yè)界人士極為關注這一模式,而且引發(fā)了一些產品轉向這一模式,增加了并行機產品的類型、檔次與數量,從而擴大了并行領域的競爭者,加大了競爭力度。2.Unix操作系統(tǒng)將統(tǒng)一標準1995年9月,以美國IBM和HP為首,聯合歐洲、日本等全球50多家著名電腦廠商結成同盟,共同商定Unix操作系統(tǒng)的標準。Unix操作系統(tǒng)的諸多版本已廣泛應用于巨型機、工作站甚至臺式機。目前,Unix系統(tǒng)主要版本已超過25種,從而使編程人員的工作非常繁雜,因他們首先必須弄清楚是為哪種平臺編制軟件。Unix操作系統(tǒng)標準統(tǒng)一后,新一代Unix將適用于64位微處理器,比現行的32位微處理器功能更強大,方便于各檔次主機用戶。3.美、日政府重新定義巨型機具有何種等級性能的計算機才能稱之為巨型計算機?美、日政府為此曾幾次修改其定義,這是因為計算機性能這幾年大幅度提高。經美、日商定,從1995年4月1日起,將巨型計算機的性能定義為5Gflops(即每秒50億次浮點運算),而1990年至1995年3月定義為300MFlops,1990年以前定義為100Mflops。美、日政府修改巨型機定義的主要目的是方便政府采購時的公開招標和簡化手續(xù)。4.萬億次量級CRAY-T3E系統(tǒng)已有主CRAYResearch公司于1995年初接受美國國防部下層"高級研究計劃署"(AdvancedResearchProjectsAgency)的訂貨,為其研制高性能超級并行機系統(tǒng)CRAY-T3E,其最高性能可達每秒1.2萬億次浮點運算。T3E系統(tǒng)的PE板的微處理器是采用DEC公司最新產品DEC21164(DECAlphaEV5),體系結構為MIMD與SIMD,32位和64位,時鐘頻率為300MHz,冷卻采用液冷和空冷。5.Intel將擁有萬億次量級MPP系統(tǒng)Intel公司已接受美國能源部的訂貨,為其建造一臺優(yōu)于目前最高性能的新型超大規(guī)模并行計算機系統(tǒng)。該系統(tǒng)將采用9000多個Intel生產的PetinumPro(P6)微處理器,其峰值性能達到每秒1.8萬億次浮點運算。系統(tǒng)主存容量為262GB,產品合同規(guī)定于1996年底以前交付用戶使用。該設備將安置于墨西哥州的阿可奇市的圣地亞國家實驗室內。美能源部部長助理維克多·雷斯說:"克林頓總統(tǒng)已許諾要結束地下核實驗。這樣,計算機模擬就成為確保美國核威懾力量的安全性、可靠性和有效性的主要手段,我們即將執(zhí)行一項十年計劃,利用高性能的超級計算機技術,以實現國家安全目標。"這臺萬億次量級的計算機,可使美國能源部的各項重要應用項目的運算速度提高十倍。6.日本研制萬億次量級的超級計算機東京大學、京都大學等全日本18所大學的30多名研究人員,經過三年的前期研究,已取得豐厚的成果,并已在1995年開始著手研制每秒萬億次運算性能的超并行計算機———JUMP-1。研究重點:微處理器網絡化的處理器的結構,盡可能地利用流水線方式向量巨型機的應用軟件。從1996年起,把重點研究領域轉向超并行機和通信的結合問題。JUMP-1系統(tǒng)將配置512個Sun公司生產的SuperSPARCCPU芯片,至多可配置16000個。該系統(tǒng)由128個集群處理器組成,每一個集群處理器包括4個SuperSPARC、2個64MB存儲器、智除JUMP系統(tǒng)以外,日本研制巨型機的著名廠商還加緊向研制萬億次量級的超級巨型機進軍。富士通在VPP500的基礎上,繼續(xù)采用向量技術和并行處理技術相結合的綜合性技術。系統(tǒng)將由1000個處理器構成,旨在完成萬億次運算。NEC公司計劃于1996年推出萬億次量級超級巨型計算機,系統(tǒng)將由512個微處理器組成(單個微處理器峰值達2Gflops)。日立公司也不甘落后,也計劃于1996年推出萬億次量級超級巨型機,該系統(tǒng)將采用三維交叉開關連接2000～4000個微處理器。7.Alpha21164實現10億次量級大關1994年9月20日,DEC公司宣布推出其新產品一代驕子———21164高速微處理器芯片,其性能達到每秒10億次指令大關,震動了整個計算機業(yè)界。21164微處理器芯片集成了930萬個晶體管,鐘頻高達300MHz,在業(yè)界率先突破了Bips級大關。21164的問世,表明64位體系結構技術正走向成熟,市場潛力也正在逐步釋放出來。CRAYResearch公司行將推出的萬億次量級超級巨型計算機CRAY-T3E,確定采用DEC公司生產的21164芯片,這就是對21164芯片潛能的有力佐證。8.中國自行研制的曙光1000并行機我國自行研制的具有世界一流水準的曙光1000大規(guī)模并行計算機系統(tǒng)已于1995年5月通過了國家級鑒定。系統(tǒng)峰值速度可達每秒25億次,實際上每秒運算速度超過10億次浮點運算,內存容量1024MB。曙光1000采用多項90年代國際上最新并行處理技術,特別是蛀洞路由器芯片和并行優(yōu)化編譯器堪稱世界先進技術。大規(guī)模并行處理技術是一個國家綜合國力的集中體現,曙光1000的研制成功標志著我國并行處理技術邁入世界先進行列。曙光1000并行計算機可廣泛應用于氣象預報、石油勘探與地震數據處理及科研工程等領域。9.西歐的并行機1995年春,日本先進科技研究所向德國Parsytec計算機公司購置一臺Gc/Power-plus并行機,該系統(tǒng)是由128個Motorola、IBM、Apple三家公司聯合研制的PowerPC微處理器組成,性能達到每秒100億次浮點運算。日本向德國進口并行機產品一事,說明了歐洲并行技術正趨于成熟,其產品正在走向國際并行機市場,并將同美、日諸多并行機廠商展開有力的競爭。10.并行機的市場走向傳統(tǒng)的向量巨型機市場將逐步被大規(guī)模并行機(MPP)以及基于RISC的對稱多處理機(SMP)所取代,因而今后傳統(tǒng)向量巨型機的市場將進一步滑落,但因種種歷史緣由,在近幾年內,傳統(tǒng)向量機與并行機仍將共存互補。MPP已達到技術發(fā)展的成熟時期,并已進入優(yōu)勝劣汰的階段,TMC(思維機器公司)等公司的破產印證了這一點。目前,MPP產品市場已出現供大于求,在過去一兩年內,MPP廠商沒有幾家能獲盈利。IDC(國際數據公司)預計,MPP廠商將會在商業(yè)領域里尋找到用戶,并且應減少在技術領域里的注意力。在MPP產品結構方面,以中檔產品為主,在此領域里將會增長12%～24%,而傳統(tǒng)向量巨型機將滑落1.3%。IDC還認為在未來的幾年里,由于并行市場疲軟,加之不斷有新的廠商加入這一市場競爭,從而進一步加劇了市場競爭,遂使并行機市場競爭趨于白熱化。因此,一些實力不強的廠商將被迫退出市場。例如,TMC公司破產后,棄硬從軟,將從事并行處理系統(tǒng)應用軟件的開發(fā)。11.計算機體系結構面臨重大變革隨著計算技術的迅速發(fā)展,傳統(tǒng)的馮·諾伊曼計算機結構將面臨諸多重大變革,內容如下(1)理想的并行計算機模型模型提供并行硬件與并行軟件之間的高效率接口,以最大限度地支持高性能。(2)萬億次量級高性能并行處理系統(tǒng)為實現萬億次量級高性能并行處理機需要解決單個處理器效率、可擴展的并行處理節(jié)點、友好的I/O子系統(tǒng),以及統(tǒng)一的地址空間、存儲器帶寬和訪問時間,并進一步提高性能價格比等技術問題。(3)未來計算機的發(fā)展趨勢將向著高度復雜化、集成化,走大規(guī)模,并行化的道路。(4)與計算機發(fā)展相關的領域·重點革新硬件體系結構、封裝工藝及設備技術;·開發(fā)與處理器功能相匹配的高性能外部設備;·在網絡中,優(yōu)化集中式通信的信息處理,滿足實時要求,解決可靠性與容錯性問題;·進一步更新編程模型與環(huán)境。三、并行機的發(fā)展前景隨著科學技術的不斷進步與發(fā)展,人們迫切需要一種高性能的,即運算速度達到萬億次、百萬億次甚至于更高的超級計算機,以此解決諸如氣象模擬、流體湍流分析、污染分析、人類染色體、半導體模擬、視學科學、認知科學、燃燒系統(tǒng)、海洋環(huán)境以及核試驗模擬等一類的問題。具體的例子有,美國宇航局艾姆斯研究中心希望提供一臺擁有每秒百萬億次浮點運算能力的超級計算機,美能源部希望在2000年時為他提供10萬億次量級超級計算機。這些用戶的要求,只有靠規(guī)模并行處理技術去實現,只有大規(guī)模并行機才能勝任。盡管在1994年末,1995年初,在并行機領域里曾出現TMC等幾家公司的破產、倒閉,但這恰好表明,MPP系統(tǒng)進入優(yōu)勝劣汰的成熟時期。CRAYResearch公司的1.2萬億次CRAY-T3E、Intel公司的1.8萬億次MPP系統(tǒng)已分別被美國防部、能源部訂購,并將于年內交貨。此外,美、日、西歐等國一大批并行機制造商推出的中、低檔的并行機系統(tǒng),正源源不斷地涌入世界巨型機市場,并在各個領域(特別是正在向商業(yè)領域發(fā)展)得到越來越多的用戶的支持。當前,世界上凡是有能力研制巨型機的廠商,已大多轉向研制并行機或者是研制向量技術與并行技術相結合的向量處理機高度并行化的系統(tǒng),如VPP500等。總之,超級巨型機系統(tǒng)結構離不開并行處理技術,并行機將逐步取