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文檔簡介

歡迎《計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》課程簡介

主講:何水兵Tel:E-mail:10一月20242一、教材與參考書目教材

《計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》,高輝等,武大出版社,2006年參考書目

《計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》(第二版),鄭緯民,清華出版社,2001年

《計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》,陸鑫達,高等教育出版社,1996年

《計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》(第三版),李學(xué)干,西安電子科大出版社,2000年

《并行處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》,屈玉貴,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,1999年

《計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)輔導(dǎo)及習(xí)題解答》,高輝等,武漢大學(xué)出版社,2006年10一月20243鄭緯民:1946年生,浙江寧波人.清華大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師、高性能計算機研究所所長10一月2024410一月20245陸鑫達,1938年9月生,上海市人。上海交通大學(xué)計算機科學(xué)與工程系教授、博士生導(dǎo)師、高性能計算研究室主任10一月20246李學(xué)干:教授,歐亞學(xué)院信息工程學(xué)院副院長。原西安電子科技大學(xué)計算機學(xué)院系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教研室主任,碩士生導(dǎo)師。10一月20247屈玉貴,女,1945年生于山東聊城。博士生導(dǎo)師,現(xiàn)任中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)信息科學(xué)實驗中心主任。10一月20248其它參考書參考書目《可擴展并行計算技術(shù)、結(jié)構(gòu)與編程》(ScalableParallelComputingTechnology,Architecture,Programming),黃鎧著,陸鑫達譯,機械工業(yè)出版社,2000《計算機體系結(jié)構(gòu)-量化研究方法》(ComputerArchitecture:AQuantitativeApproach)(ThirdEdition),JohnL.Hennessy&DavidA.Patterson,機械工業(yè)出版社,2002《計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu):一種定量的方法》(第二版),JohnL.Hennessy&DavidA.Patterson著,鄭緯民譯,清華大學(xué)出版社,200210一月20249二、教學(xué)目的與教學(xué)大綱計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是一門從組織和結(jié)構(gòu)角度學(xué)習(xí)、領(lǐng)會計算機系統(tǒng)的課程。通過本課程的學(xué)習(xí),要求能進一步樹立和加深對計算機系統(tǒng)的整體概念,熟悉有關(guān)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念、原理,了解常用的基本結(jié)構(gòu),領(lǐng)會結(jié)構(gòu)設(shè)計的思想和方法,提高分析和解決問題的能力。10一月202410教學(xué)大綱(一)掌握計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成和實現(xiàn)的定義,重點掌握計算機系統(tǒng)的分類、性能評價。了解計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展,熟悉計算機系統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)。

掌握浮點數(shù)據(jù)表示和高級數(shù)據(jù)表示,重點掌握指令格式的優(yōu)化設(shè)計技術(shù),了解指令系統(tǒng)的性能分析和設(shè)計風(fēng)格。WuhanUniversity10一月202411教學(xué)大綱(二)了解指令的三種解釋方式,掌握標量流水中的障礙及控制方法,重點掌握標量流水工作原理、性能分析和非線性流水線的調(diào)度技術(shù),熟悉超標量與超流水技術(shù)和向量流水處理技術(shù)。了解并行性的基本概念、開發(fā)途徑,掌握SIMD計算機的典型結(jié)構(gòu)和并行算法,重點掌握SIMD計算機的互連網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),熟悉多處理機的結(jié)構(gòu)、并行性開發(fā)以及操作系統(tǒng)。

10一月202412三、學(xué)習(xí)基礎(chǔ)與發(fā)展方向硬件基礎(chǔ):計算機組成原理、數(shù)字邏輯、大規(guī)模集成電路設(shè)計軟件基礎(chǔ):高級程序語言設(shè)計、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)發(fā)展方向:高等計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、分布式并行處理(結(jié)構(gòu)與算法)10一月202413計算機主要硬件課程WuhanUniversity10一月202414四、學(xué)時分配(36學(xué)時,2學(xué)分)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計基礎(chǔ):4數(shù)據(jù)表示與指令系統(tǒng)性分析:8重疊、流水和向量處理機:12并行處理技術(shù):1210一月202415五、考核方式與參考資源筆試(閉卷)成績評定:70%期末考試(閉卷)20%平時成績(作業(yè))10%考勤10一月202416參考資源(一)國外資源鏈接:體系結(jié)構(gòu)相關(guān)專業(yè)鏈接

,Univ.ofWisconsin,Univ.ofCalifornia,Berkeley計算機科學(xué)組織機構(gòu)鏈接

,ACM,IEEE,MICRO,計算機體系結(jié)構(gòu)技術(shù)委員會世界計算機硬件廠商鏈接

10一月202417參考資源(二)國外資源鏈接其他相關(guān)資源

國內(nèi)資源鏈接,聯(lián)想,華碩,集成網(wǎng)

10一月202418參考資源(三)頂級國際學(xué)術(shù)會議頂級國際學(xué)術(shù)期刊10一月202419六、計算機技術(shù)的發(fā)展自1946年以來,近60年計算機發(fā)展驚人性能:(加法)速度提高了5個數(shù)量級價格:今天$1000的機器相當于60年代中$1000,000的機器。這里同性能計算機的價格比,改善了三個數(shù)量級計算機技術(shù)的發(fā)展主要動力器件的發(fā)展和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進10一月20242010一月202421ENIAC-技術(shù)細節(jié)Decimal(notbinary)十進制(沒有二進制)20accumulatorsof10digits十位數(shù)字的累加器有20個Programmedmanuallybyswitches通過開關(guān)人工編程18,000vacuumtubes18,000個晶體管15,000squarefeet15,000平方英尺140KWpowerconsumption140KW電力消耗5,000additionspersecond每秒可執(zhí)行5000次加法運算WuhanUniversity10一月20242210一月2024231975年10一月2024241976年10一月20242510一月20242610一月20242710一月20242810一月202429計算機系統(tǒng)性能的提高10一月2024301980之前,計算機性能每年提高25%-30%20世紀80年代初,出現(xiàn)微處理機依靠集成電路技術(shù),性能每年提高35%20世紀80年中期,出現(xiàn)RISC技術(shù)、高級語言和操作系統(tǒng)等,性能每年提高50%1995年,先進系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對微處理器性能的貢獻是單純技術(shù)進步的5倍近幾年及將來計算機系統(tǒng)的性能按摩爾定理發(fā)展,性能每年提高近60%性能提高的幾個階段10一月202431七、三個問題四類新型半算機系統(tǒng)摩爾定律的終結(jié)超級計算機10一月2024321、四類新型半算機系統(tǒng)背景:我們的時代是一個萬國互網(wǎng)、辯證綜合、跨域一體、百科整合的時代,我們的時代更是一個社會、科學(xué)、技術(shù)、經(jīng)濟、教育高速發(fā)展的時代應(yīng)對:要有宏觀的、戰(zhàn)略性的、跨域性的且宏微結(jié)合的具體研究;要有交緣性、橫斷性、綜合性的具體創(chuàng)新開拓10一月202433戈登·摩爾1965年提出:芯片上可以容納的晶體管數(shù)量每隔18個月會翻一番,相應(yīng)的計算能力也隨之翻番美國NSF向美國政府申請了2000萬美元的經(jīng)費用于2009年的財政規(guī)劃,計劃啟動一個超越摩爾定律的科學(xué)與工程(SEBML)項目

2、摩爾定律10一月202434摩爾定律終結(jié)的原因高功耗產(chǎn)生高溫度,提高了封裝成本和測試成本,對摩爾定律的成本按比例減低方面,產(chǎn)生終結(jié)效應(yīng)。芯片及散熱裝置的高功耗,對國民經(jīng)濟的能源安全提出了新的要求,這反過來對摩爾定律產(chǎn)生終結(jié)效應(yīng)。高功耗產(chǎn)生很多副面影響,而為了保證摩爾定律,就要采用低功耗設(shè)計,這又反過來加大設(shè)計復(fù)雜度,對摩爾定律產(chǎn)生終結(jié)效應(yīng)。10一月202435提高主頻的空間已經(jīng)很小微處理器主頻已達6GHz,門延遲小于0.01ns信號延時:30萬公里/秒/2=1.5mm/0.01nsPentium芯片面積500mm2,即23mm23mm當半導(dǎo)體工藝進入0.18μm以后,線延時已經(jīng)超過了門延遲提高微處理器速度的途徑之一依靠更加精密的布線技術(shù)---還有少量余地開發(fā)新的器件,例如生物芯片和光電子器件等未來微處理器的發(fā)展WuhanUniversity10一月202436微處理器發(fā)展趨勢10一月2024371個group可以有任意條指令,同一group內(nèi)的指令可以同時執(zhí)行共9個功能部件:2個整數(shù)部件i、

2個浮點部件f、

2個訪存部件m、

3個分支部件b。

安騰(Itanium)處理機10一月2024383、超級計算機與TOP500

計算機系統(tǒng)的“3T目標”:每秒1萬億次的浮點計算能力(1TFLOPS)主存應(yīng)達到240字節(jié)的存儲容量(1TB主存)每秒達到240字節(jié)/秒I/O吞吐率(1TB/S)10一月2024392002年11月第20屆top500排行榜第一NECEarth-Simulator5120顆處理器、35.86TFlops連續(xù)五屆居榜首10一月202440Earth-simulator10一月20244110一月2024422004年11月第24屆top500排行榜第一IBMBlueGene13萬多顆處理器、280.6TFlops連續(xù)多屆居榜首10一月202443IBMBlueGene/L10一月202444IBMBlueGene/L10一月202445IBMBlueGene/L10一月202446藍色基因/L系統(tǒng)美國能源部(DOE)勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LawrenceLivermoreNationalLaboratoryLLNL)Linpack基準測試性能Rmax為280.6Tflops,2007年已達到478.2Tflops系統(tǒng)采用了13-21萬顆PowerPC440700MHz處理器,運行CNK/Linux系統(tǒng)連續(xù)多屆獲得第一。10一月202447TOP500排行榜前十名(2007.11)序號廠商型號位置處理器數(shù)性能(Tflops)1IBMBlueGene/L美國212992478.22IBMBlueGene/P德國65536167.33SGIICE8200美國14336126.94HPEKA印度14240117.95HPCP3000瑞典13728102.86CaryRedStorm美國26569102.27CaryJaguar美國23016101.78IBMBGW美國4096091.299CaryFranklin美國1932085.36810IBMNewYorkBlue美國3686482.16110一月202448國產(chǎn)高性能計算機簡介HPC或稱超級計算機是計算機中功能最強、運算速度最快、存儲容量最大和價格最貴的一類計算機1956年周總理親自領(lǐng)導(dǎo)了《科學(xué)技術(shù)發(fā)展十二年規(guī)劃》銀河、神威、浪潮、聯(lián)想、曙光等系列計算機10一月2024491800(2002年排TOP500第43位)10一月202450聯(lián)想深騰6800(2003年排TOP500第14位)10一月2024512004年6月第23屆top500排行榜曙光4000A排第十是繼美、日之后第三個跨越了10億次計算機的國家10一月202452曙光4000系列計算機組成具有十萬億次浮點運算能力面向網(wǎng)格的曙光4000A具有百萬億字節(jié)海量數(shù)據(jù)處理能力面向網(wǎng)絡(luò)安全的曙光4000L具有五千億次通用運算能力和四萬億次專用處理能力面向生物信息處理的曙光4000H具有異構(gòu)特性面向SAR實時成像處理的曙光4000I10一月202453曙光4000A系統(tǒng)規(guī)模達到640個結(jié)點,每個結(jié)點為4CPU的SMP系統(tǒng)(共計2560個CPU),采用AMD2.2GHzOpteron64位處理器11.264TFLOPS峰值運算速度存儲容量達到42TB除CPU和Linux平臺系統(tǒng)外,其他部件都使用了自己的技術(shù)

10一月202454曙光4000A機房10一月202455曙光4000A顯示屏10一月202456曙光4000A機柜一角10一月202457中國高性能計算機TOP100排行榜

(2007.11)前15名序號廠商

型號

地點時間處理器Linpack值1IBMHS21Cluster勝利油田2007409618.6/38.2242IBMpSeries655國家氣象局2005320010.31/21.763曙光4000A上海超計200425608.061/11.2644SGIAltix4700氣象衛(wèi)星200712807.127/8.1925-10HPBL-20P游戲公司200719506.976/12.4811曙光4000L河北省200710246.243/10.89512曙光OpteronDualCore

政府部門200719204.992/9.98413HPPA8900神州數(shù)碼200720484.966/9.01114HPBL20p大慶油田200613124.694/8.39715HPPA8800神州數(shù)碼200720484.424/8.19210一月202458曙光5000的技術(shù)特點在世界上首次提出既能應(yīng)對千萬億次科學(xué)計算又能十分有效地支持能力計算(utilitycomputing)、應(yīng)用面廣的HPP體系結(jié)構(gòu)(HyperParallelProcessing)

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