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計(jì)算機(jī)組成原理漫談的相關(guān)論文

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  隨著計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)的發(fā)展,存儲(chǔ)器無論是其器件還是體系結(jié)構(gòu)都發(fā)生了很大的變化。存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)的主要部件之一,其容量,速度,價(jià)格是存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)時(shí)所要考慮的三個(gè)要素現(xiàn)在有的速度快,但容量小;有的容量大,但速度慢。下面是學(xué)習(xí)啦小編為大家整理的計(jì)算機(jī)組成原理漫談的相關(guān)論文,希望大家喜歡!

  計(jì)算機(jī)組成原理漫談的相關(guān)論文篇一

  《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu)》

  【摘要】:存儲(chǔ)器是信息存放的載體,是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分。有了存儲(chǔ)器計(jì)算機(jī)才有記憶的功能,才能把要計(jì)算和處理的數(shù)據(jù)以及程序存入計(jì)算機(jī),使計(jì)算機(jī)能夠脫離人的直接干預(yù),自動(dòng)工作。顯然,存儲(chǔ)器的容量越大,存放的信息就越多,計(jì)算機(jī)體系的功能也就越強(qiáng)。在計(jì)算機(jī)中,大量的操作是CPU與存儲(chǔ)器交換信息。但是,存儲(chǔ)器的工作速度相對(duì)于CPU總是要低1至2個(gè)數(shù)量級(jí)。因此,存儲(chǔ)器的工作速度又是影響計(jì)算機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理速度的主要因素。為了使容量,速度與成本適當(dāng)折衷,現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都是采用多級(jí)存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu):主存儲(chǔ)器(內(nèi)存儲(chǔ)器),輔助)(外)存儲(chǔ)器以及網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)器。

  【關(guān)鍵詞】:內(nèi)存(memory),MPU(寄存器Register),外存設(shè)備,RAM,ROM,Cache存儲(chǔ)器。

  【正文】

  隨著計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)的發(fā)展,存儲(chǔ)器無論是其器件還是體系結(jié)構(gòu)都發(fā)生了很大的變化。存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)的主要部件之一,其容量,速度,價(jià)格是存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)時(shí)所要考慮的三個(gè)要素現(xiàn)在有的速度快,但容量小;有的容量大,但速度慢。一般而言,速度快的存儲(chǔ)器容量小,位價(jià)格高。存儲(chǔ)器一般分為內(nèi)存(memory),MPU(寄存器Register),外存設(shè)備。

  所謂存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu),就是把各種不同存儲(chǔ)容量、存取速度和價(jià)格的存儲(chǔ)器按層次結(jié)構(gòu)組成多層存儲(chǔ)器,并通過管理軟件和輔助硬件有機(jī)組合成統(tǒng)一的整體,使所存放的程序和數(shù)據(jù)按層次分布在各種存儲(chǔ)器中。目前,在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中通常采用三級(jí)層次結(jié)構(gòu)來構(gòu)成存儲(chǔ)系統(tǒng),主要由高速緩沖存儲(chǔ)器Cache、主存儲(chǔ)器和輔助存儲(chǔ)器組成,在存儲(chǔ)系統(tǒng)多級(jí)層次結(jié)構(gòu)中,由上向下分三級(jí),其容量逐漸增大,速度逐級(jí)降低,成本則逐次減少。整個(gè)結(jié)構(gòu)又可以看成兩個(gè)層次:它們分別是主存一輔存層次和cache一主存層次。這個(gè)層次系統(tǒng)中的每一種存儲(chǔ)器都不再是孤立的存儲(chǔ)器,而是一個(gè)有機(jī)的整體。它們?cè)谳o助硬件和計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的管理下,可把主存一輔存層次作為一個(gè)存儲(chǔ)整體,形成的可尋址存儲(chǔ)空間比主存儲(chǔ)器空間大得多。由于輔存容量大,價(jià)格低,使得存儲(chǔ)系統(tǒng)的整體平均價(jià)格降低。由于Cache的存取速度可以和CPU的工作速度相媲美,故cache一主存層次可以縮小主存和cPu之間的速度差距,從整體上提高存儲(chǔ)器系統(tǒng)的存取速度。盡管Cache成本高,但由于容量較小,故不會(huì)使存儲(chǔ)系統(tǒng)的整體價(jià)格增加很多。綜上所述,一個(gè)較大的存儲(chǔ)系統(tǒng)是由各種不同類型的存儲(chǔ)設(shè)備構(gòu)成,是一個(gè)具有多級(jí)層次結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)系統(tǒng)。該系統(tǒng)既有與CPU相近的速度,又有極大的容量,而成本又是較低的。其中高速緩存解決了存儲(chǔ)系統(tǒng)的速度問題,輔助存儲(chǔ)器則解決了存儲(chǔ)系統(tǒng)的容量問題。采用多級(jí)層次結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器系統(tǒng)可以有效的解決存儲(chǔ)器的速度、容量和價(jià)格之間的矛盾。

  寄存器(Register)存在于CPU中,直接服務(wù)于運(yùn)算器和控制器,是CPU工作的直接對(duì)象,是工作最繁忙的存儲(chǔ)器。寄存器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)也是以字節(jié)為單位,但根據(jù)CPU的字長(zhǎng)及工作需要,也可以操作某個(gè)位或多個(gè)字節(jié)。寄存器和運(yùn)算器,控制器等集成在一起,通過CPU內(nèi)部總線連接在一起,它們同步工作,寄存器是工作速度最快的存儲(chǔ)器。

  內(nèi)存Memory和CPU之間通過系統(tǒng)總線直接連接在一起,由CPU直接控制內(nèi)存的讀寫操作。內(nèi)存的基本存儲(chǔ)方式是存儲(chǔ)單元(MemoryUnit)一個(gè)字節(jié)Byte長(zhǎng)度,8個(gè)二進(jìn)制位Bit。一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的所有內(nèi)存構(gòu)成一個(gè)完整的連續(xù)的存儲(chǔ)空間,物理地址從0開始連續(xù)編址。CPU在訪問內(nèi)存空間中的存儲(chǔ)單元時(shí)可以隨機(jī)訪問,只需指定其物理地址即可。CPU在讀寫內(nèi)存時(shí)總是以1/2/4個(gè)字節(jié)為單位進(jìn)行,在此基礎(chǔ)上可通過寄存器獲取其中某個(gè)二進(jìn)制位的數(shù)據(jù)/狀態(tài)。單個(gè)字節(jié)Byte的數(shù)據(jù)由8位數(shù)據(jù)構(gòu)成,D7~D0(最高位~最低位)。兩個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)合在一起稱為字Word,由D15~D0(最高位~最低位)共16位數(shù)據(jù)構(gòu)成。四個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)合在一起稱為雙字DWord,由D31~D0(最高位~最低位)共32位數(shù)據(jù)構(gòu)成。從低字節(jié)到最高字節(jié)依次存放在模4地址開始的四個(gè)存儲(chǔ)單元中,用低字節(jié)的地址訪問整個(gè)雙字的所有4字節(jié)數(shù)據(jù)。,存儲(chǔ)器有可靠性(MTBF),工作電壓和功率消耗低。

  內(nèi)存的分類:RAM———RandomAccessMemory隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器———計(jì)算機(jī)的主要場(chǎng)所。主要特點(diǎn):可讀寫,臨時(shí)性,易失性,容量大,低電壓,速度快,低功耗。主要類型:SRAM(靜態(tài))和DRAM(動(dòng)態(tài))。SRAM:速度快,容量限制,構(gòu)成復(fù)雜,功耗大,成本高——用作Cache。DRAM:速度慢,容量大,構(gòu)成復(fù)雜,功耗大,成本低——用作主存。ROM———ReadOnlyMemory只讀存儲(chǔ)器——計(jì)算機(jī)不可缺少的輔助內(nèi)存。只讀,永久性,非易失性,容量小,速度慢,功耗大,使用不便。主要類型:掩模式ROM,PROM,EPROM,E2PROM,FlashROM——數(shù)據(jù)的擦除和寫入方式不同。

  只讀存儲(chǔ)器(ROM)是一種工作時(shí)只能讀出,不能寫入信息的存儲(chǔ)器。在使用ROM時(shí),其內(nèi)部信息是不能被改變的,故一般只能存放固定程序,如監(jiān)控程序、BIOS程序等。只讀存儲(chǔ)器(ROM)的特點(diǎn)是非易失性,即它所存儲(chǔ)的信息一經(jīng)寫入,就可以長(zhǎng)久保存,不受電源斷電的影響,即使掉電后存儲(chǔ)信息仍不會(huì)改變,十分可靠。按存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝的不同,只讀存儲(chǔ)器ROM又可分為:掩膜只讀存儲(chǔ)器(ROM)、可編程只讀存儲(chǔ)器(PROM)、光可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器(EPROM)、電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器(E2PROM)。

  外存和外設(shè):外存通過外存接口連接到系統(tǒng)總線,在CPU的控制下完成數(shù)據(jù)的讀寫操作。不同的外存工作原理不同,具體的數(shù)據(jù)讀寫過程和方式也不相同,但外存屬于塊存儲(chǔ)器,一般采用特定方式通過總線與內(nèi)存交換數(shù)據(jù)。各種外設(shè)I/O設(shè)備也可以看作是特定的外存。反之,各種外設(shè)也屬于I/O設(shè)備。內(nèi)存是動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器,不能永久大量數(shù)據(jù),必須通過外存實(shí)現(xiàn)更大容量數(shù)據(jù)的永久性保存。

  Cache存儲(chǔ)器:多級(jí)Cache技術(shù)——L1Cache,L2Cache,L3Cache。衡量Cache工作效率的主要指標(biāo)——命中率,控制策略,數(shù)據(jù)查找模式等。為了提高Cache的效率,當(dāng)前在L1Cach中普遍實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)(D-Cache)和(L-Cache)分開緩存的技術(shù),L2和L3大多還是數(shù)據(jù)和指令混合緩存。大幅度提高Cache的容量也能明顯改善系統(tǒng)效率。有些外設(shè)設(shè)備也采用了Cache技術(shù),用來提高和內(nèi)存之間交換數(shù)據(jù)的效率,如硬盤等。Intel從1985年為80386CPU提供Cache支持,如今在至強(qiáng)系列XEONCPU中Cache技術(shù)發(fā)揮到極致。文中主要介紹了存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu),它是計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器件,它可以與CPU連接交換數(shù)據(jù),也可以用來保存數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)每執(zhí)行完一條指令,至少都要訪問一次存儲(chǔ)器。還有它的分類、層次結(jié)構(gòu)、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM和只讀存儲(chǔ)器ROM的基本知識(shí)結(jié)構(gòu)、工作原理等內(nèi)容,還要從應(yīng)用的角度介紹存儲(chǔ)器容量的形成與CPU的連接,還有輔助存儲(chǔ)器及一些新的的技術(shù)。

  輔助存儲(chǔ)器用來存放當(dāng)前暫時(shí)不用的程序或數(shù)據(jù),需要時(shí)再成批地調(diào)入主存。它屬于外部設(shè)備,因此,又稱其為外存儲(chǔ)器。常用的輔助存儲(chǔ)器有軟盤、硬盤和光盤存儲(chǔ)器等。

  1.軟盤存儲(chǔ)器及其接口

  軟盤存儲(chǔ)器是在聚脂薄膜圓形基片上涂一層磁性材料而形成。以體積小、價(jià)格低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于維護(hù)、攜帶方便和對(duì)環(huán)境要求不高等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。按軟盤驅(qū)動(dòng)器的性能可分為單面盤和雙面盤。

  (1)主要技術(shù)指標(biāo)如下:

  磁道:磁盤上的記錄面分成許多以盤片中心為圓心的同心圓,每個(gè)圓稱為一個(gè)磁道(Track)。

  道密度:沿磁盤徑向單位長(zhǎng)度上的磁道數(shù)稱為“道密度”。常用每英寸上的磁道數(shù)來表示。

  位密度:磁道上數(shù)據(jù)的記錄密度稱為“位密度”。常用每英寸長(zhǎng)度上所記錄的的位單元數(shù)來表示。

  扇區(qū):磁道再劃分成許多小的存儲(chǔ)區(qū),每個(gè)存儲(chǔ)區(qū)稱為扇區(qū)(sector)。

  (2)軟盤驅(qū)動(dòng)器(FDD)

  軟盤驅(qū)動(dòng)器主要完成對(duì)磁盤的讀寫工作,由軟盤驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和讀寫控制電路組成。

  軟盤驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可分為:盤片定位機(jī)構(gòu);軟盤驅(qū)動(dòng)裝置;控制磁頭尋道定位部件;狀態(tài)檢測(cè)部件。

  讀寫控制電路可分為:讀出放大電路;寫電路;抹電路。

  (3)軟盤控制器

  軟盤控制器的功能是解釋來自主機(jī)的命令并向軟盤驅(qū)動(dòng)器發(fā)出各種控制信號(hào),同時(shí)還要檢測(cè)驅(qū)動(dòng)器的狀態(tài),按規(guī)定的數(shù)據(jù)格式向驅(qū)動(dòng)器讀寫數(shù)據(jù)等。具體操作如下:

  尋道操作:將磁頭定位在目標(biāo)磁道上。尋道前,主機(jī)將目標(biāo)道號(hào)送往磁盤控制器暫存,目標(biāo)道號(hào)與磁頭所在道號(hào)進(jìn)行比較,決定磁頭運(yùn)動(dòng)的道數(shù)和方向。地址檢測(cè):主機(jī)將目標(biāo)地址送往軟盤控制器,控制器從驅(qū)動(dòng)器上按記錄格式讀取地址信息并與目標(biāo)地址進(jìn)行比較,找到讀寫信息的磁盤地址。

  讀數(shù)據(jù):首先檢測(cè)數(shù)據(jù)標(biāo)志是否正確,然后將數(shù)據(jù)字段的內(nèi)容送入內(nèi)存,最后進(jìn)行CRC校驗(yàn)。

  寫數(shù)據(jù):寫數(shù)據(jù)時(shí)不僅要將原始信息經(jīng)編碼后寫入磁盤,同時(shí)要寫上數(shù)據(jù)區(qū)標(biāo)志和CRC校驗(yàn)碼以及間隙。如果原始信息寫不滿一個(gè)區(qū)段,自動(dòng)插入全‘0’。初始化:在盤片上寫格式化信息,對(duì)每個(gè)磁道劃分區(qū)段。軟盤控制器主要由以下幾部分組成:

  數(shù)據(jù)總線緩沖器:用于緩沖主機(jī)送來的并行數(shù)據(jù)。緩沖器中的數(shù)據(jù)再通過內(nèi)部總線與寄存器中的信息進(jìn)行傳送。

  讀寫DMA控制邏輯:主要功能是進(jìn)行讀寫和DMA控制。采用DMA方式傳送數(shù)據(jù)時(shí),此部分可產(chǎn)生數(shù)據(jù)請(qǐng)求(DRQ)信號(hào),借助DMA控制芯片向CPU申請(qǐng)總線控制。CPU響應(yīng)后,讓出總線控制權(quán),接著轉(zhuǎn)入DMA數(shù)據(jù)傳送。

  串行接口控制器:主要用來控制讀寫的各種信號(hào)。當(dāng)采用雙密記錄方式寫入數(shù)據(jù)時(shí),引入補(bǔ)償電路;讀出時(shí),引入鎖相電路,分離出數(shù)據(jù)。

  驅(qū)動(dòng)器接口控制器:用來控制輸入/輸出的各種信號(hào)。

  內(nèi)部寄存器:用來存放軟盤控制器芯片的狀態(tài)、數(shù)據(jù)、命令和參數(shù)。新型存儲(chǔ)器技術(shù)。

  1.多體交叉存儲(chǔ)器

  多體交叉存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)思想是在物理上將主存分成多個(gè)模塊,每一個(gè)模塊都包括一個(gè)存儲(chǔ)體、地址緩沖寄存器和數(shù)據(jù)緩沖寄存器等,即它們都是一個(gè)完整的存儲(chǔ)器。因此,CPU就能同時(shí)訪問各個(gè)存儲(chǔ)模塊,任何時(shí)候都允許對(duì)多個(gè)模塊并行地進(jìn)行讀寫操作,從而提高整個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)的平均訪問速度。

  多體交叉存儲(chǔ)器是利用主存地址的低K位來選擇模塊(可確定2K個(gè)模塊),高m位用來指定模塊中的存儲(chǔ)單元,這樣連續(xù)的幾個(gè)地址就位于相鄰的幾個(gè)模塊中,而不是在同一個(gè)模塊中,故稱為“多體交叉編址”。于是CPU要訪問主存的幾個(gè)連續(xù)地址時(shí),可使這幾個(gè)模塊同時(shí)工作,使整個(gè)主存的平均利用率得到提高。

  2.閃速存儲(chǔ)器

  閃速存儲(chǔ)器的英文名稱為FlashMemory,有時(shí)也譯為“快閃存儲(chǔ)器”。它既有EPROM價(jià)格便宜、集成度高的優(yōu)點(diǎn),又有E2PROM的電可擦除性、可重寫性,具有可靠的非易失性,重寫速度較快,對(duì)于需要實(shí)施代碼或數(shù)據(jù)更新的嵌入性應(yīng)用是一種理想的存儲(chǔ)器。

  3.高速緩沖存儲(chǔ)器Cache

  高速緩沖存儲(chǔ)器(Cache)位于CPU與存儲(chǔ)容量較大但操作速度較慢的主存之問,可以提高CPU訪問存儲(chǔ)器時(shí)的存取速度,減少處理器的等待時(shí)間,使程序員能使用一個(gè)速度與CPU相當(dāng)而容量與主存相當(dāng)?shù)拇鎯?chǔ)器。

  高速緩沖存儲(chǔ)器(Cache)是根據(jù)程序的局部性原理,即在一個(gè)較小時(shí)間間隔內(nèi),程序所要用到的指令或數(shù)據(jù)的地址往往集中在一個(gè)局部區(qū)域內(nèi),因而對(duì)局部范圍內(nèi)的存儲(chǔ)器地址頻繁訪問,而對(duì)此范圍外的地址則訪問甚少,這就稱為程序訪問的局部性原理。

  虛擬存儲(chǔ)器

  虛擬存儲(chǔ)器(VirtualMemory)是以存儲(chǔ)器訪問的局部性為基礎(chǔ),建立在主存一輔存物理體系結(jié)構(gòu)上的存儲(chǔ)管理技術(shù)。它是為了擴(kuò)大存儲(chǔ)容量,把輔存當(dāng)作主存使用,在輔助軟、硬件的控制下,將主存和輔存的地址空問統(tǒng)編址,形成個(gè)龐大的存儲(chǔ)空間。程序運(yùn)行時(shí),用戶可以訪問輔存中的信息,可以使用與訪問主存同樣的尋址方式,所需要的程序和數(shù)據(jù)由輔助軟件和硬件自動(dòng)調(diào)入主存,這個(gè)擴(kuò)大了的存儲(chǔ)空間,就稱為虛擬存儲(chǔ)器。

  【參考文獻(xiàn)】:

  [1]《微機(jī)原理與接口技術(shù)》楊邦華馬世偉王健劉延章編著

  [2]白巾英.計(jì)算機(jī)組成原理(第三版)[M].北京:科學(xué)出版社,2000.

  [3]李學(xué)干.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[M].北京:經(jīng)濟(jì)科學(xué)出版社,2000.

  [4]唐朔飛.計(jì)算機(jī)組成原理[M].北京:高等教育出版社,1999

  計(jì)算機(jī)組成原理漫談的相關(guān)論文篇二

  《如何制造高性能計(jì)算機(jī)》

  摘要:高性能計(jì)算機(jī)是衡量一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力的重要標(biāo)志,是國(guó)家信息化建設(shè)的根本保證。發(fā)展高性能計(jì)算機(jī),可以帶動(dòng)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,解決國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)發(fā)展進(jìn)步、國(guó)防建設(shè)與國(guó)家安全等方面一系列的挑戰(zhàn)性問題,促進(jìn)我國(guó)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。高性能計(jì)算機(jī)與我們生活息息相關(guān),文章總結(jié)了國(guó)內(nèi)外高性能計(jì)算機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì),闡述了高性能計(jì)算機(jī)的重要性,并總結(jié)了我國(guó)目前發(fā)展高性能計(jì)算機(jī)面臨的問題,最后提出如何制造高性能計(jì)算機(jī)所遇到問題的解決辦法。

  關(guān)鍵詞:高性能計(jì)算機(jī);重要性;發(fā)展趨勢(shì);存在問題;解決辦法

  正文:

  高性能計(jì)算機(jī)概念:

  高性能計(jì)算概述高性能計(jì)算(英文highperformancecomputing,縮寫HPC)指通常使用很多處理器(作為單個(gè)機(jī)器的一部分)或者某一集群中組織的幾臺(tái)計(jì)算機(jī)(作為單個(gè)計(jì)算資源操作)的計(jì)算系統(tǒng)和環(huán)境。有許多類型的HPC系統(tǒng),其范圍從標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)的大型集群,到高度專用的硬件。大多數(shù)基于集群的HPC系統(tǒng)使用高性能網(wǎng)絡(luò)互連,比如那些來自InfiniBand或Myrinet的網(wǎng)絡(luò)互連?;镜木W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜徒M織可以使用一個(gè)簡(jiǎn)單的總線拓?fù)?,在性能很高的環(huán)境中,網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在主機(jī)之間提供較短的潛伏期,所以可改善總體網(wǎng)絡(luò)性能和傳輸速率。

  高性能計(jì)算機(jī)的重要性:

  高性能計(jì)算機(jī)是衡量一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力的重要標(biāo)志,是國(guó)家信息化建設(shè)的根本保證。發(fā)展高性能計(jì)算機(jī),可以帶動(dòng)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,解決國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)發(fā)展進(jìn)步、國(guó)防建設(shè)與國(guó)家安全等方面一系列的挑戰(zhàn)性問題,促進(jìn)我國(guó)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。衡量高性能計(jì)算機(jī)的水準(zhǔn)主要是看其計(jì)算能力。60年前,當(dāng)每秒能完成數(shù)千次運(yùn)算的第一臺(tái)數(shù)字計(jì)算機(jī)誕生時(shí),它就是當(dāng)時(shí)最高計(jì)算能力的體現(xiàn)。近30年來,計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度平均每10年就要翻1000倍,這比我們通常說的每18個(gè)月翻一番的摩爾定律速度還要快。在進(jìn)入新世紀(jì)的今天,恐怕每秒5萬億次到10萬億次的運(yùn)算速度只能算是高性能計(jì)算機(jī)入門的門檻高性能計(jì)算機(jī)與大眾生活息息相關(guān)高性能計(jì)算機(jī)一般都和科學(xué)研究聯(lián)系在一起,小到原子結(jié)構(gòu)的分析,大到宇宙起源模擬,到處都需要高性能計(jì)算機(jī)。但是,高性能計(jì)算機(jī)的應(yīng)用決不僅限于此。在和人民大眾生活息息相關(guān)的各個(gè)領(lǐng)域。在和人民大眾生活息息相關(guān)的各個(gè)領(lǐng)域,我們都可以看到高性能計(jì)算機(jī)的身影:

  1對(duì)新藥研制的促進(jìn)。

  在與疾病作斗爭(zhēng)的過程中,我們需要新的藥品。研制一種新藥從化合物篩選到臨床試驗(yàn),一般需要10到15年的時(shí)間。在化合物篩選階段,對(duì)于數(shù)十萬種化合物,用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)手段,篩選出有效的化合物需要花費(fèi)大量資金購(gòu)買化合物,需要幾年的實(shí)驗(yàn)時(shí)間,而且篩選—的范圍受到金錢和時(shí)間限制,難以得到最佳的結(jié)果。現(xiàn)在使用高性能計(jì)算機(jī)這個(gè)工具,以計(jì)算機(jī)模擬的手段,科學(xué)家可以在較短的時(shí)間內(nèi)從幾十萬甚至幾百萬種化合物中篩選出有效的藥物化合物,這不僅節(jié)省了購(gòu)買真實(shí)化合物的大量資金,而且大大縮短了藥物研發(fā)的周期。

  2對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)的影響。

  在網(wǎng)絡(luò)日益普及的今天,我們已經(jīng)漸漸習(xí)慣于從網(wǎng)上獲得信息和服務(wù),但是同時(shí)也經(jīng)常為服務(wù)響應(yīng)速度的遲緩而煩惱。網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)絕不是我們通常想象的找一臺(tái)微機(jī)服務(wù)器,建個(gè)網(wǎng)站就能成的事。要面對(duì)數(shù)千萬、數(shù)億用戶的訪問請(qǐng)求,服務(wù)器必須有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)吞吐和處理能力。這又是高性能計(jì)算機(jī)發(fā)揮作用的舞臺(tái)。高性能服務(wù)器每秒種可以處理數(shù)千萬乃至數(shù)億次服務(wù)請(qǐng)求,及時(shí)提供用戶所需要的信息和服務(wù),保證服務(wù)質(zhì)量。

  3對(duì)制造業(yè)的推動(dòng)。

  我國(guó)是一個(gè)制造業(yè)大國(guó),被人們稱為“世界工廠”。高性能計(jì)算在制造業(yè)的廣泛使用,不僅可以幫助工程師在設(shè)計(jì)階段更科學(xué)地計(jì)算材料強(qiáng)度,更合理地選擇和使用材料,設(shè)計(jì)出更符合空氣和流體動(dòng)力學(xué)原理和人體工程的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和外形,而且可以在仿真基礎(chǔ)上全面規(guī)劃整個(gè)制造過程,有效提高產(chǎn)品制造的質(zhì)量和產(chǎn)量?;诟咝阅苡?jì)算的全數(shù)字化設(shè)計(jì)制造環(huán)境在縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期、節(jié)能降耗、降低污染、提高產(chǎn)品質(zhì)量方面的作用不可限量。用高性能計(jì)算能力武裝起來的制造業(yè)必然能更快速地應(yīng)對(duì)市場(chǎng)的動(dòng)態(tài)需求,提高自身的競(jìng)爭(zhēng)能力。

  4工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活需要精確的天氣預(yù)報(bào)。

  以高性能計(jì)算為基礎(chǔ)的氣象和氣候數(shù)值預(yù)報(bào)是精確天氣預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)。我們知道,地球連同它的大氣層是一個(gè)大系統(tǒng),它的內(nèi)部以及它與宇宙空間,特別是與太陽之間的能量交換與轉(zhuǎn)換決定了地球上的氣候狀況。如果我們能夠在觀察數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,精確地計(jì)算和模擬出這個(gè)系統(tǒng)內(nèi)能量轉(zhuǎn)換的過程,我們就可以精確地預(yù)測(cè)天氣的變化?,F(xiàn)在的高性能計(jì)算機(jī)的速度還不足以讓我們?cè)谌蚍秶跃_的尺度達(dá)到這個(gè)目的。

  高性能計(jì)算機(jī)發(fā)展趨勢(shì):

  高性能計(jì)算機(jī)與網(wǎng)格研究的關(guān)系1.高性能計(jì)算機(jī)(HPC)與網(wǎng)格向分化與共生方向發(fā)展。HPC以科學(xué)計(jì)算為主,實(shí)現(xiàn)Petaflops計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是現(xiàn)階段的主要追求目標(biāo),研究領(lǐng)域包括新體系結(jié)構(gòu)、新器件技術(shù)、系統(tǒng)軟件等。2.計(jì)算網(wǎng)格作為一種廉價(jià)、易得的計(jì)算資源,受到應(yīng)用科學(xué)家及普通用戶的廣泛關(guān)注與試用,向成為高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的使用門戶(Portal)的方向發(fā)展。3.數(shù)據(jù)與信息網(wǎng)格提供各種應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)使用平臺(tái),具有資源共享、動(dòng)態(tài)交互與集成等特征,是網(wǎng)格技術(shù)研究與發(fā)展的主要方面。

  高性能計(jì)算機(jī)的使用模式

  1.從傳統(tǒng)集中使用(高性能計(jì)算中心)向集成化(與其他設(shè)備)、網(wǎng)格化(其它計(jì)算中心)及按需計(jì)算(租借計(jì)算力)的方向發(fā)展。

  2.高性能計(jì)算機(jī)用戶與普通計(jì)算機(jī)(服務(wù)器、PC)一樣,關(guān)心TOCinlifeCycle及TOCinprojectperiods。

  3.按需計(jì)算(部分計(jì)算力、聯(lián)合計(jì)算)、制造成本(10-100倍于傳統(tǒng)PCcluster)、運(yùn)行成本(體積、功耗)等要求對(duì)新一代高性能計(jì)算機(jī)的研發(fā)提出挑戰(zhàn)。

  HPC體系結(jié)構(gòu)向超大規(guī)模并行、多級(jí)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)及混合粒度編程的方向發(fā)展

  1.實(shí)現(xiàn)Petaflops計(jì)算性能的HPC需要10,000-100,000CPUCore(處理器模塊)以并行方式連接起來。相對(duì)今天幾千個(gè)CPU構(gòu)成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),超大規(guī)模并行在節(jié)點(diǎn)、連接與存儲(chǔ)等方面需要?jiǎng)?chuàng)新。2.CPU與Memory之間的性能“差距”(Bandwidth,Latency)通過多級(jí)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)(memoryhierarchy)進(jìn)行擬合。3.粗中細(xì)粒度混合編程模型充分挖掘問題本身的并行性的前提下,發(fā)揮超大規(guī)模系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

  當(dāng)前制約我國(guó)高性能計(jì)算發(fā)展的主要因素有:

  1.核心技術(shù)不足。我國(guó)制造的高性能計(jì)算機(jī)在核心技術(shù)上雖有不少突破,但仍然在很大程度上依靠于國(guó)外。在高性能計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)上投入的研究經(jīng)費(fèi)和研究力量不足,阻礙我國(guó)在該領(lǐng)域的創(chuàng)新。2.人才不足,高性能計(jì)算機(jī)的應(yīng)用目標(biāo)往往是解決綜合性、系統(tǒng)性的復(fù)雜問題,涉及多個(gè)領(lǐng)域。開發(fā)一個(gè)好的高性能計(jì)算應(yīng)用涉及應(yīng)用問題抽象、模型建立、并行算法研究、并行程序?qū)崿F(xiàn)、應(yīng)用系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證等多個(gè)階段,需要熟悉應(yīng)用和計(jì)算的“多面手”型人才需要不同學(xué)科、不同技術(shù)背景的人員的密切合作。而我國(guó)高校目前的專業(yè)劃分難以培養(yǎng)既熟悉先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù),又熟悉應(yīng)用領(lǐng)域問題的人才,以至于這類人才奇缺。不同學(xué)科的科技人員之間的交流和合作機(jī)制又不健全,造成懂高性能計(jì)算機(jī)的人不懂應(yīng)用,而了解應(yīng)用的人又不知道如何用高性能計(jì)算的方法來解決問題的局面。

  3.應(yīng)用軟件匱乏我國(guó)長(zhǎng)期以來存在的重硬件、輕軟件的現(xiàn)象在高性能計(jì)算領(lǐng)域格外突出,影響更大。對(duì)于高性能計(jì)算機(jī)而言,缺乏合適的應(yīng)用軟件就根本無法開展相應(yīng)的應(yīng)用,也無法吸引用戶來使用高性能計(jì)算機(jī)。高性能計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的應(yīng)用軟件專業(yè)性強(qiáng),價(jià)格昂貴,國(guó)內(nèi)應(yīng)用部門每年都花費(fèi)大量經(jīng)費(fèi),采購(gòu)應(yīng)用軟件,但是這種采購(gòu)一般是分散進(jìn)行的,缺少相互協(xié)調(diào),因此國(guó)家整體布局還不盡合理,有些軟件多個(gè)部門重復(fù)采購(gòu),而另一些急需的軟件又沒人購(gòu)買。另外,單個(gè)部門購(gòu)買軟件的規(guī)模往往有限,不能與并行硬件的規(guī)模相適應(yīng)。這些軟件的所有權(quán)和使用權(quán)屬于采購(gòu)的部門,不同部門擁有的軟件難以交流和共享。此外,很多國(guó)外的應(yīng)用軟件都和國(guó)外的高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)綁定,這就迫使我國(guó)的用戶在采購(gòu)軟件的同時(shí)必須選用國(guó)外的硬件系統(tǒng),嚴(yán)重影響國(guó)產(chǎn)高性能計(jì)算機(jī)的推廣應(yīng)用和我國(guó)高性能計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的成長(zhǎng)壯大。

  4資源分布不均勻,國(guó)內(nèi)高性能計(jì)算機(jī)主要分布在科研院所、大學(xué)以及石油勘探、氣象預(yù)等應(yīng)用部門,地域分布也不均勻。資源分布的不均勻和資源訪問的困難,使得不少高性能計(jì)算的潛在用戶放棄了應(yīng)用的打算。在經(jīng)濟(jì)效益不夠好的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)尤其如此。這種資源分布的不均勻性一方面使需要資源的用戶難以獲得資源,另一方面也造成寶貴資源的閑置和浪費(fèi)。

  解決辦法:

  高性能計(jì)算(HighPerformanceComputing)是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)分支,主要是指從體系結(jié)構(gòu)、并行算法和軟件開發(fā)等方面研究開發(fā)高性能計(jì)算機(jī)的技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,高性能計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度不斷提高,其標(biāo)準(zhǔn)也處在不斷變化之中。

  我國(guó)的高性能計(jì)算事業(yè)必須走可持續(xù)均衡發(fā)展的道路。高性能計(jì)算是昂貴的,不僅有設(shè)備的初始投入,而且有場(chǎng)地條件、電力消耗、運(yùn)行維護(hù)和人員隊(duì)伍建設(shè)等多種費(fèi)用。因此,一定要切實(shí)從應(yīng)用需求出發(fā),大力促進(jìn)應(yīng)用的進(jìn)步,以此推動(dòng)高性能計(jì)算的發(fā)展。強(qiáng)調(diào)應(yīng)用需求牽引并不是忽視技術(shù)的推動(dòng)作用。技術(shù)的進(jìn)步可以創(chuàng)造新的應(yīng)用,調(diào)動(dòng)新的應(yīng)用需求。網(wǎng)格以其資源共享、協(xié)同工作的固有能力和網(wǎng)格服務(wù)的形式,支持用戶共享使用Internet中的各類資源;網(wǎng)格允許用戶克服地理的障礙,更便捷地獲得高性能計(jì)算的能力;網(wǎng)格簡(jiǎn)化高性能計(jì)算機(jī)的使用方式,使更多的普通用戶能夠利用高性能計(jì)算機(jī)的能力去解決過去難以解決的問題,擴(kuò)大了高性能計(jì)算機(jī)的應(yīng)用范圍。需要強(qiáng)調(diào)的是,高性能計(jì)算的技術(shù)創(chuàng)新有賴于國(guó)家持續(xù)的支持,以保證足夠的研究經(jīng)費(fèi)和一支高水平精干的研究隊(duì)伍。高性能計(jì)算人才的培養(yǎng)是一項(xiàng)長(zhǎng)期的艱巨任務(wù),不僅要通過改革高校的學(xué)科劃分和專業(yè)設(shè)置來加強(qiáng)高性能計(jì)算復(fù)合型人才的培養(yǎng),還要通過應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā),培養(yǎng)和鍛煉各個(gè)行業(yè)與領(lǐng)域熟悉高性能計(jì)算的人才,只有這樣才能真正保證高性能計(jì)算及應(yīng)用的可持續(xù)發(fā)展。

  參考文獻(xiàn):

  1.百度百科

  2.《高性能計(jì)算機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及機(jī)遇到的問題》

  3.《高性能計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)》樊建平

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