隨著計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)的發(fā)展，存儲(chǔ)器無(wú)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(wú)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(guò)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(lái)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(wèn)題，輔助存儲(chǔ)器則解決了存儲(chǔ)系統(tǒng)的容量問(wèn)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(guò)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(guò)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(wèn)內(nèi)存空間中的存儲(chǔ)單元時(shí)可以隨機(jī)訪問(wèn)，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(guò)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(wèn)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(wèn)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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(lái)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(wèn)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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)的并行數(shù)據(jù)。緩沖器中的數(shù)據(jù)再通過(guò)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(lái)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(lái)控制輸入/輸出的各種信號(hào)。

　　內(nèi)部寄存器：用來(lái)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(wèn)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(wèn)速度。

　　多體交叉存儲(chǔ)器是利用主存地址的低K位來(lái)選擇模塊(可確定2K個(gè)模塊)，高m位用來(lái)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(wèn)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(wèn)，可以提高CPU訪問(wèn)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(wèn)，而對(duì)此范圍外的地址則訪問(wèn)甚少，這就稱為程序訪問(wèn)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(wèn)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(wèn)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(wèn)輔存中的信息，可以使用與訪問(wèn)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(wèn)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(wèn)題，最后提出如何制造高性能計(jì)算機(jī)所遇到問(wèn)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(wèn)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(lái)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(wèn)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(lái)，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(shuō)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(wàn)億次到10萬(wàn)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(guò)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(wàn)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?，F(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(wàn)甚至幾百萬(wàn)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(wàn)、數(shù)億用戶的訪問(wèn)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(wàn)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(guò)程，有效提高產(chǎn)品制造的質(zhì)量和產(chǎn)量。基于高性能計(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(lái)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(yáng)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(guò)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(lái)。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(guò)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(wèn)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(wèn)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(wèn)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(wèn)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(lái)解決問(wèn)題的局面。

　　3.應(yīng)用軟件匱乏我國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)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(wú)法開展相應(yīng)的應(yīng)用，也無(wú)法吸引用戶來(lái)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(méi)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(wèn)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(guò)去難以解決的問(wèn)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(guò)改革高校的學(xué)科劃分和專業(yè)設(shè)置來(lái)加強(qiáng)高性能計(jì)算復(fù)合型人才的培養(yǎng)，還要通過(guò)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(wèn)題》

　　3.《高性能計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)》樊建平