计算机体系结构综述

魏刚

摘 要 当前计算机体系结构研究突出表现为微处理器体系结构研究，面临着许多新挑战。面向体系结构开展应用算法优化和体系结构支持软件工具的各种技术正在相互融合，新思想、新技术不断涌现，计算机体系结构技术正处于一个迅速变化的时期。本文分别阐述了高等计算机体系结构的历史、现状以及未来的发展方向。

关键词 体系结构 现状 发展

中图分类号：TP303 文献标识码：A

计算机的体系结构范围很广，定义也很宽泛，它包含了指令集的设计、组织、硬件与软件的边界问题等等，同时涉及了应用程序、技术、并行性、编程语言、接口、编译、操作系统等很多方面。作为各项技术发展的中心，体系结构一直在不断地朝前发展。

1 计算机体系结构的历史回顾

从20世纪70年代中期开始，分布式系统开始出现并流行，极大地增加了系统的复杂性，出现了微处理器并获得了广泛应用。如今计算机的体系结构发展迅速地从集中的主机环境转变成分布的客户机/服务器（或浏览器/服务器）环境，新的技术不断涌现出来。尽管如此，计算机在总体上、功能上需要解决的问题仍然存在。随着RISC技术、Cache等创新技术的发展，不仅仅在专业领域，越来越多的PC机也在向此靠拢。在每一次进步与创新的同时使组件的成本降到最低成为最需要考虑的问题。

2计算机体系结构的发展现状

2.1通过线程级并行改善处理器性能

IBM的POWER5TM处理器是一个双上下文的同时多线程芯片。在每一种表面组装技术的核心，IBM POWER5突出了两层线程资源的平衡和优化。第一层提供了自动的内嵌硬件资源平衡设备，而第二层是一种软件控制优化机制，它显示了线程优化的八层。通过并行性来改善处理器的性能，已经不是新的技术，但将并行性细化到线程级，可大大提高并行度，并且克服了通常指令级并行的限制。

2.2并行性意识分批处理时序

在一个共享的动态随机存储器系统中，一个线程延迟不仅来自其他线程的由于边界、总线、行缓冲器冲突的请求，而且会破坏其他线程动态随机存储器边界层的并行性。并行意识分批处理时序（PAR-BS）基于两个关键的观点。首先，PAR-BS分批地处理DRAM请求来提供公平并且避免请求的饿死；其次，优化系统工作量。PAR-BS采用并行意识DRAM时序安排策略，从而通过线程减少内存关联，拖延时间经验。PAR-BS无缝地包含了对系统级线程优先级的支持，并且能够对不同优先级的线程提供不同的服务层，包括纯粹投机的服务。

2.3内嵌磁盘并行性

服务器存储系统使用大量的磁盘来实现高性能，因此消耗大量的能量。内嵌磁盘并行性能够帮助一个大的磁盘阵列替换一个较小的，用满足容量需求的磁盘最小数目。用提供高性能的存储阵列来替代一个单独的高内存的磁盘驱动器。与前面所述的两种并行性不同，传统的计算机为了提高速度加强性能，都不可避免造成了其他方面的损失，例如容量大、能量高等等，而通过内置的磁盘并行，在实现高性能的同时，也减少了能量的消耗，这是过去所追求的计算机性能的一个重要方面。

2.4指令粒度程序监控的灵活硬件加速器

指令粒度程序监控工具，在个人指令粒度上检查和分析执行程序，对快速检测错误和安全攻击然后限制它们的损害是非常宝贵的。通过检查一些不同的工具识别一般费用的三种重要的共同资源，然后为定位这些费用提出三种新的硬件技术：继承跟踪幂等滤波器，以及元数据转换旁置缓冲器。总的来说，这些组成了一个多用途的硬件加速框架。

3 计算机体系结构的发展趋势

3.1混合体系结构已成为HPC发展的趋势

建在东京技术研究所的TSUBAME采用的就是混合体系，除了使用10368个AMD双核Opteron外，360块加速卡为系统贡献了24%的性能，仅增加了1%的功耗。而IBM将在2008年完成的名为RoadRunner的1600万亿次HPC中，总共采用了16000个Opteron和cell两种不同架构的处理器。可以说，多核微处理器和面向领域的混合体系结构已成为HPC发展的趋势。

3.2新技术的发展应有多样化的评估标准

面对各种新技术的出现，多样化的评估才能更加公正客观地反映高性能计算机技术的发展与进步。FPGA（现场可程序化逻辑门阵列）与GPU（图形处理器）等芯片在高效计算上也具有可观的加速性。未来基准测试软件能否测度CPU外的计算加速性芯片所带来的效能效益，也成为一大重点。再者，现有性能评估法也仅以标量（Scalar）为主，不考虑向量（Vector）性能，但日本NEC的地球仿真器是原生的向量计算系统，若以向量为前提进行较量，NEC依然会是榜首，其他则会是PowerPC970（芯片内具备硬件向量计算单元）的系统。如此，推测未来也可能会另设向量别的性能比较，好与现有标量别的比较分开。

3.3光电结合是未来计算机制造和互联技术的发展趋势

光电技术的结合是下二十年计算机制造技术的发展趋势，PCB（印刷电路板）板间光互连将成为未来高性能计算机的标准互连方式。如果按照摩尔定律继续发展，下二十年后，半导体技术将进入THz时代，而THz是电信号和光信号交叉之处。未来芯片内部也有可能采用光互联技术。可以预见光电技术的结合将是未来

4总述

当前高性能计算机的研制已进入发展的十字路口。一方面，尖端的高性能计算机系统研制正处于各种新思想与新方法产生的活跃期；另一方面，廉价的机群系统带来的高性能计算机反过来对系统设计提出了新的要求。我国已经具备了自行研制国际先进水平超级计算机系统的能力，并形成了神威、银河和曙光等几个自己的产品系列和研究队伍，有进行重大技术创新的条件。但是，目前研制的系统国产化程序并不高，处理器、高速网络等关键部件还主要依赖进口。随着集成电路生产基地逐渐向中国转移和国产通用CPU技术的突破，我国实际上已经开始具备了自主生产高性能计算机全套部件的潜力，高效能和高生产力正在孕育未来高性能计算机的创新机会。

参考文献

[1] 祁金华.高性能计算走向成熟期[J].网络世界，2007（21）.

[2] 曾宇，王洁.中国高性能计算机技术及标准现状分析[J].信息技术与标准化，2006（10）.