高等計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢文獻(xiàn)綜述

--#-計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)

最新進(jìn)展及發(fā)展趨勢姓名:尹東波班級:信研1010班學(xué)號：S20101441專業(yè):計算機(jī)計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)最新進(jìn)展及發(fā)展趨勢高性能計算(highperformancecompute,HPC)是一個計算機(jī)集群系統(tǒng)，它通過各種互聯(lián)技術(shù)將多個計算機(jī)系統(tǒng)連接在一起，利用所有被連接系統(tǒng)的綜合計算能力來處理大型計算問題．高性能計算方法的基本原理就是將問題分為若干部分，而相連的每臺計算機(jī)(稱為節(jié)點)均可同時參與問題的解決，從而顯著縮短了解決整個問題所需的計算時間．解決大型計算問題需要功能強(qiáng)大的計算機(jī)系統(tǒng)，隨著高性能計算的出現(xiàn)，使這一類應(yīng)用從昂貴的大型外部計算機(jī)系統(tǒng)演變?yōu)椴捎蒙逃梅?wù)器產(chǎn)品和軟件的高性能計算機(jī)集群．因此，高性能計算系統(tǒng)已經(jīng)成為解決大型問題計算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展方向．高性能計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)對于服務(wù)器而言，單純地提高單個處理器的運算能力和處理能力正在變得越來越難，雖然制造商從材料、工藝和設(shè)計等方面進(jìn)行了不懈的努力，近期內(nèi)CPU保持著高速的增長勢態(tài)，但高頻之下的高功耗所引起的電池容量問題和散熱問題等負(fù)面效應(yīng)，以及這些負(fù)面效應(yīng)對整機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁兼容性問題，又反過來將CPU運算能力的提升推到了暮年.顯然，提高單個處理器速度和性能已是強(qiáng)弩之末.而研發(fā)多個CPU的并行處理技術(shù)，才是真正提高現(xiàn)代服務(wù)器處理能力和運算速度的有效途徑?目前，由圖SIMD技術(shù)、SingleProc技術(shù)、Const技術(shù)已經(jīng)不再使用，并行處理技術(shù)主要有SMP技術(shù)、NUMA技術(shù)、集群技術(shù)和網(wǎng)格技術(shù)等.根據(jù)2006年對排行前500名的機(jī)器作TOP500統(tǒng)計，TOP500中的Cluster約占70.8%,MPP(含CC—NUMA)約占22%，而SMP約占7.2%.1.1SMP技術(shù)對稱多處理(symmetricalmultiprocessing，SMP)技術(shù)是相對非對稱多處理技術(shù)而言的、應(yīng)用十分廣泛的并行技術(shù).在這種架構(gòu)中，多個處理器運行操作系統(tǒng)的單一復(fù)本，并共享內(nèi)存和一臺計算機(jī)的其它資源.所有的處理器都可以平等地訪問內(nèi)存、1/0和外部中斷?系統(tǒng)資源被系統(tǒng)中所有CPU共享，工作負(fù)載能夠均勻地分配到所有可用的處理器之上.目前，大多數(shù)SMP系統(tǒng)的CPU是通過共享系統(tǒng)總線來存取數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對稱多處理的.在SMP系統(tǒng)中增加更多處理器的兩個主要問題是系統(tǒng)不得不消耗資源來支持處理器搶占內(nèi)存，以及內(nèi)存同步.1?2NUMA技術(shù)在非一致訪問分布共享存儲技術(shù)(nonuniformmemoryaccess,NUMA)體系結(jié)構(gòu)中，每個處理器與本地存儲器和高速緩存相連，多個處理器通過處理器、存儲器互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)相連.處理器還通過處理器、I/O網(wǎng)絡(luò)訪問共享的I/O和外圍設(shè)備.至于處理器之間的通信則通過可選的處理器之間的通信網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn).NMUA技術(shù)在科學(xué)與工程計算領(lǐng)域具有不可替代的地位，在聯(lián)機(jī)事務(wù)處理(OLTP)、決策支持服務(wù)(DSS)和Intranet以及Internet中的地位也越來越重要.目前，NUMA并行機(jī)的處理器數(shù)目可達(dá)到512個，且?guī)捒呻S處理器數(shù)目基本上呈線性擴(kuò)展.這樣大的處理器數(shù)，使單一系統(tǒng)映像的NUMA機(jī)足以覆蓋絕大多數(shù)的應(yīng)用.首先，由于它具有與SMP相同的編程模式，因此在科學(xué)與工程計算領(lǐng)域具有不可替代的地位；其次,由于它具有共享內(nèi)存和良好的可擴(kuò)展性優(yōu)勢，可以適應(yīng)企業(yè)數(shù)據(jù)中心的多種應(yīng)用.NUMA系統(tǒng)能夠運行世界上一些最大的UNIX數(shù)據(jù)庫應(yīng)用，而且正被廣泛接受為電子商務(wù)的主流技術(shù)，包括處理功能強(qiáng)大、I/O的大規(guī)模可擴(kuò)展性、高可用性、工作負(fù)荷和資源管理的廣泛靈活性，而且無需改變SMP編程模型等優(yōu)越技術(shù).1.3Cluster技術(shù)集群(Cluster)技術(shù)是近幾年興起的發(fā)展高性能計算機(jī)的一項技術(shù)?它是一組相互獨立的計算機(jī)，利用高速通信網(wǎng)絡(luò)組成一個單一的計算機(jī)系統(tǒng)，并以單一系統(tǒng)的模式加以管理.其出發(fā)點是提供高可靠性、可擴(kuò)充性和抗災(zāi)難性.一個集群包含多臺擁有共享數(shù)據(jù)存儲空間的服務(wù)器，各服務(wù)器通過內(nèi)部局域網(wǎng)相互通信.當(dāng)一臺服務(wù)器發(fā)生故障時，它所運行的應(yīng)用程序?qū)⒂善渌?wù)器自動接管.在大多數(shù)模式下，集群中所有的計算機(jī)擁有一個共同的名稱，集群內(nèi)的任一系統(tǒng)上運行的服務(wù)都可被所有的網(wǎng)絡(luò)客戶使用.采用集群系統(tǒng)通常是為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和網(wǎng)絡(luò)中心的數(shù)據(jù)處理能力及服務(wù)能力.1.4網(wǎng)格技術(shù)網(wǎng)格技術(shù)有可能成為實現(xiàn)Petaflops的另一條途徑?網(wǎng)格是近年來計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)發(fā)展的一個重要方向，其基本思想是通過Internet進(jìn)行資源共享和協(xié)同工作?目前連接到Internet的計算機(jī)已經(jīng)達(dá)到1億臺以上，通過互聯(lián)網(wǎng)可能達(dá)到的聚合計算潛力是不可估量的.國際上已經(jīng)有Globus等組織為網(wǎng)格環(huán)境制定標(biāo)準(zhǔn)和參考實現(xiàn).但是用網(wǎng)格技術(shù)實現(xiàn)PetafloPs仍需要關(guān)鍵技術(shù)上的突破：一方面互聯(lián)網(wǎng)連接的速度和帶寬仍有待提高，近年來，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)以超摩爾定律的速度高速增長，已經(jīng)為此提供了可能，達(dá)到實用階段只是時間問題.另一方面是有效的網(wǎng)格體系模型和計算模型還沒有建立.網(wǎng)格的資源是分散和動態(tài)的，計算也是一種分散的、動態(tài)的過程。傳統(tǒng)的并行共享內(nèi)存或消息傳遞程序模式不能直接有效地利用,如何科學(xué)計算高效使用網(wǎng)格的計算能力是當(dāng)前一個主要的研究方向.高性能計算的發(fā)展方向2.1混合體系結(jié)構(gòu)已成為HPC發(fā)展的趨勢建在東京技術(shù)研究所的TSUBAME采用的就是混合體系，除了使用10368個AMD雙核Opteron外，360塊加速卡為系統(tǒng)貢獻(xiàn)了24%的性能，僅增加了1%的功耗.而IBM將在2008年完成的名為RoadRunner的1600萬億次HPC中，總共采用了16000個Opteron和Cell兩種不同架構(gòu)的處理器?可以說，多核微處理器和面向領(lǐng)域的混合體系結(jié)構(gòu)已成為HPC發(fā)展的趨勢.集群將成為超級計算系統(tǒng)的主流集群架構(gòu)的超級計算系統(tǒng)，特別是以采用普通商用芯片和內(nèi)聯(lián)技術(shù)組成的所謂“貝奧伍爾夫集群(BeowulfCluster)”系統(tǒng)，在近幾年獲得突飛猛進(jìn)的發(fā)展，迅速成為目前高性能計算架構(gòu)的主流.在最新的全球500強(qiáng)排名上，確實已有超過70%的系統(tǒng)屬于集群系統(tǒng).它大受歡迎的主要原因在于其經(jīng)濟(jì)有效性和公開性，與MPP的不同之處在于，它一般采用廉價的普通IA服務(wù)器為運算節(jié)點，小規(guī)模的系統(tǒng)一般用以太網(wǎng)進(jìn)行內(nèi)聯(lián)，規(guī)模大一點的和性能要求較高的系統(tǒng)多采用InfiniBand、QsNET或Myrinet作為內(nèi)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，外加免費的、公開的、通用的操作系統(tǒng)(Linux)和并行編程接口(MPI)，使超級計算機(jī)的造價告別了天文數(shù)字.基于刀片式服務(wù)器的集群架構(gòu)興起刀片式服務(wù)器技術(shù)經(jīng)歷了不同的研究發(fā)展階段，從1999?2001年最初的BladeSwich領(lǐng)域，及其后的體系結(jié)構(gòu)(architecture)、存儲虛擬化，到2004年刀片式服務(wù)器整體性能提升技術(shù)研究，再到2005年刀片式服務(wù)器的專用化研究，可以說刀片式服務(wù)器產(chǎn)品在多核、低功耗技術(shù)的推動下已完成從追求高計算密度的第一代刀片，發(fā)展到強(qiáng)調(diào)整體綜合性能、高生產(chǎn)力的第三代刀片產(chǎn)品.未來的兩到三年，刀片式服務(wù)器將以其高服務(wù)密度、敏捷式部署維護(hù)、全方位監(jiān)控管理融合、高可擴(kuò)展性、高可用性，全面取代傳統(tǒng)的基于機(jī)架式服務(wù)器的Linux集群體系架構(gòu).預(yù)期基于刀片式服務(wù)器的Linux集群架構(gòu)將興起.集群標(biāo)準(zhǔn)化深人泛高性能計算時代2005年9月，國內(nèi)服務(wù)器廠商曙光公司把泛高性能計算時代下集群技術(shù)總結(jié)為10大標(biāo)準(zhǔn)，為Lin—ux集群技術(shù)及應(yīng)用推廣打下了非常好的基礎(chǔ)?繼此之后，集群在遠(yuǎn)程／異地操作控制、一體化監(jiān)控、集群負(fù)載均衡、智能機(jī)柜、異構(gòu)支持、集群簡易管理、集群快速部署、集群高速并行吞吐、集群安全、行業(yè)應(yīng)用等方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)慢慢浮出水面，并被高性能計算行業(yè)所接受．標(biāo)準(zhǔn)化是行業(yè)應(yīng)用成熟化的標(biāo)志，預(yù)計集群標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)會有更進(jìn)一步的發(fā)展和普及．虛擬計算技術(shù)在集群應(yīng)用中的深層次發(fā)展基于應(yīng)用級集群虛擬計算技術(shù)不僅將帶來更高的集群部件利用率，同時也會帶來支持應(yīng)用動態(tài)遷移、故障自動隔離、系統(tǒng)自動重構(gòu)的高可靠集群應(yīng)用環(huán)境，以及更為簡潔、統(tǒng)一的Linux集群管理模式.伴隨Microsoft的VirtualServer、VMware的vMwareWorkstation和Xensource的Xen,以及Intel的Vanderpool、AMD的Pacifica等部件級及系統(tǒng)級虛擬技術(shù)的興起，預(yù)計未來幾年虛擬技術(shù)在集群系統(tǒng)應(yīng)用中將會有更深一步的發(fā)展.集群可信計算環(huán)境構(gòu)造技術(shù)浮出水面基于商業(yè)計算及信息化應(yīng)用對集群架構(gòu)的普及推動,預(yù)計基于內(nèi)外網(wǎng)隔離、統(tǒng)一身份認(rèn)證、訪問控制、分布式入侵檢測、流量分析、應(yīng)用層及傳輸層加密傳輸協(xié)議、主動防護(hù)等技術(shù)催生全新的集群應(yīng)用可信計算環(huán)境構(gòu)造技術(shù)框架,從而使計算機(jī)獲得從物理層到應(yīng)用層全方位的、多層次的、立體的集群應(yīng)用安全環(huán)境,為高性能計算機(jī)的商業(yè)應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ).結(jié)論從高性能計算發(fā)展的體系結(jié)構(gòu)分布來看，MPP取代向量機(jī)和集群逐步替代MPP這兩個進(jìn)程的背后都是摩爾定律在起作用,高性能計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新必須與半導(dǎo)體技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展相結(jié)合，否則很難變成主流技術(shù)，這也是SIMD系統(tǒng)、陣列機(jī)、數(shù)據(jù)流等新型體系結(jié)構(gòu)沒有流行起來的主要原因.目前，單處理器和SIMD方式來構(gòu)建高性能計算系