计算机系统结构

计算机系统结构第一页，共六十三页，2022年，8月28日课程目标本课程是计算机科学与技术专业的一门的基础课程。本课程主要包括计算机系统结构基本概念、组成及相关设计原理；计算机系统结构各组成部分的相关技术、分析及设计方法；计算机系统设计的基本方法。通过本课程的学习，使同学们理解计算机系统的基本工作原理，以及在硬件、软件界面划分的权衡策略，建立完整的、系统的计算机软硬件整体概念。第二页，共六十三页，2022年，8月28日课程主要内容计算机系统结构概论数据表示、寻址方式与指令系统存储、中断、总线与I/O系统存储体系流水和指令级高速并行的超级机阵列处理机多处理机数据流机和规约机*多核技术第三页，共六十三页，2022年，8月28日课程的重点从整体上掌握计算机系统的工作原理，以讲授计算机系统结构的基本概念和基本原理为主，而不是完整介绍各种系统结构，即不是以具体的机器为实例进行教学让同学们明白计算机技术发展的趋势及影响，激发学习热情、钻研和创新精神了解新技术、新概念，扩大知识面如：RISC、RAID、SMP、Cluster等如：网格计算（GridComputing）如：多核技术（Multicore）如：Itanium2与Opteron等第四页，共六十三页，2022年，8月28日计算机发展的基础科技技术的飞速发展 主要是半导体技术的发展 电、磁、光、生物等技术 市场效应是主要推动作用第五页，共六十三页，2022年，8月28日计算机技术的发展自1946年以来，计算机60年有了惊人的发展性能：（加法）速度提高了5个数量级计算机性能以大约每年35%的速度提高价格：今天$1000的机器相当于60年代中$106的机器，这里同性能计算机的价格比，改善了３个数量级。从发展过程中体会本课程的含义。第六页，共六十三页，2022年，8月28日指数增长的世界网络vs.计算机性能处理器速度每18个月翻一番存储密度每12个月翻一番网络速度每9个月翻一番

1986-2000计算机：×

500网络：×

340，0002001–2010计算机：×

60网络：×

4,000第七页，共六十三页，2022年，8月28日GordonMoore(FounderofIntel)observedin1965thatthenumberoftransistorsthatcouldbecrammedonachipdoubleseveryyear.ThishasCONTINUEDtobetruesincethen.第八页，共六十三页，2022年，8月28日摩尔定律（1979年）假设芯片价格保持不变，则微处理器芯片上的晶体管数，每隔18-24个月便翻一番假设微处理器价格保持不变，则微处理器速度每隔18-24个月便翻一番假设微处理器速度或芯片内存储器容量不变，则微处理器芯片价格每18-24个月将降低约48%第九页，共六十三页，2022年，8月28日摩尔定律即将终结？Intel公司负责内部芯片设计的首席技术官盖尔欣格认为：以地球文明所拥有的材料环境，如果芯片的耗能和散热问题不解决，则：2005年芯片上集成2亿个晶体管，热的像核反应堆到摩尔定律截至年，2010年，就会达到火箭发射时高温气体喷嘴的水平2015年，就会与太阳的表面一样热第十页，共六十三页，2022年，8月28日Processorperformance,asmeasuredbytheSPECbenchmarkhasalsorisendramatically.第十一页，共六十三页，2022年，8月28日MemoryCapacity(andCost)havechangeddramaticallyinthelast20years.year size(Mb) cyctime1980 0.0625 250ns1983 0.25 220ns1986 1 190ns1989 4 165ns1992 16 145ns1996 64 120ns2000 256 100ns第十二页，共六十三页，2022年，8月28日BasedonSPEED,theCPUhasincreaseddramatically,butmemoryanddiskhaveincreasedonlyalittle.Thishasledtodramaticchangedinarchitecture,OperatingSystems,andProgrammingpractices. Capacity Speed(latency)Logic 2xin3years 2xin3yearsDRAM 4xin3years 2xin10yearsDisk 4xin3years 2xin10years第十三页，共六十三页，2022年，8月28日Scalingto0.1µm,……nmSemiconductorIndustryAssociation,1992TechnologyWorkshopProjectedfuturetechnologybasedonpasttrends

1992

1995

1998

2001

2004

2007Featuresize: 0.50.350.250.18 0.12 0.10（μm）IndustryisslightlyaheadofprojectionDRAMcapacity: 16M 64M 256M 1G 4G 16GDoublesevery1.5yearsChiparea(cm2):

2.54.0 6.0 8.0 10.0 12.5Wayoff!Chipsstayingsmall第十四页，共六十三页，2022年，8月28日芯片制造工艺在1992年以后，从0.5微米、0.35微米、0.25微米、0.18微米、0.15微米、0.13微米、90纳米、65纳米一直发展到目前最新的45纳米，32纳米目前研发28、22纳米芯片

第十五页，共六十三页，2022年，8月28日Intel的"Tick-Tock"模式Intel按“Tick-Tock”模式和节奏进行技术创新和新产品的开发。

-Tock(2006年，偶数年)-发布酷睿微架构，延续之前的65纳米制造工艺-Tick(2007年，奇数年)-45纳米制造工艺开始量产，延续酷睿微架构-Tock(2008年，偶数年)-发布Nehalem微架构，延续45纳米制造工艺-Tick(2009年，奇数年)-32纳米制造工艺开始量产，延续Nehalem微架构-Tock(2010年，偶数年)-发布SandyBridge微架构，延续32纳米制造工艺-Tick(2011年，奇数年)-22纳米制造工艺开始量产，延续SandyBridge微架构第十六页，共六十三页，2022年，8月28日Intel的45纳米处理器2008年11月16日，英特尔在中国一口气发布了16款主要面向服务器和高端PC的新一代45纳米“Penryn”处理器。相比先前采用65纳米技术构建的处理器芯片，新型英特尔45纳米（1纳米=10亿分之1米）处理器的晶体管密度几乎翻了一番，这就相当于四核处理器上装载了8.2亿个晶体管。

Penryn与酷睿相比，芯片片尺寸方面缩小了25％，而晶体管数量方面则上升了40％，晶体管总数量达到8.2亿个。在节能方面，45纳米工艺可以使芯片功耗降低30%，采用更高介电常数的金属栅极取代传统的低介电常数(low-k)的二氧化硅,栅极漏电率降低到原来的1/5-1/10，并大幅度提高晶体管开关速度。第十七页，共六十三页，2022年，8月28日Intel的32纳米工艺特点

采用了第二代高-K金属栅极晶体管技术：业界最短的栅极长度

-用于高K材料的等价氧化物(电介质)的厚度从45纳米工艺时的1纳米缩小至0.9纳米，栅极长度缩小到了30纳米，所以单位面积可以集成更多晶体管。处理器的同比封装尺寸将是45nm产品的70%。-采用了第4代应变硅，电子在晶体管中的流通更顺畅，阻力更小，耗电更低。

业界最窄的栅极间距-晶体管的栅极间距只有112.5纳米，为目前业界最紧凑的栅极间距。-虽然间距更窄了，但是漏电流却得到了更有效的控制，和45纳米技术相比，PMOS型晶体管的漏电量减少到原来的十分之一，NMOS型晶体管的漏电量降到原来的五分之一。无效功耗降到更低的水平。

目前半导体晶体管技术中最为有效的晶体管驱动电流，高能效。第十八页，共六十三页，2022年，8月28日在临界层上使用浸没式光刻技术，蚀刻电路更加精细和精确。晶体管性能提升22%，令人侧目。

9个铜导线低-k互连层，更低电阻率。

无铅、无卤素的封装，绿色产品，更加环保。英特尔32纳米技术的优势和成熟度，让32纳米处理器能以不低于45纳米时代的速度高良率量产，甚至可以超过45纳米的量产速度。英特尔公司将再次向人们诠释"摩尔定律"的神奇之处----最新的32纳米处理器更小，更快，更强，更高能效。第十九页，共六十三页，2022年，8月28日第二十页，共六十三页，2022年，8月28日第二十一页，共六十三页，2022年，8月28日CPU与Memroy的性能呈现剪刀差第二十二页，共六十三页，2022年，8月28日目前最快的计算机（2007年）世界最快的500台计算机系统2007年11月

No1:IBMBlueGene478.2万亿次/秒No59:IBM（胜利油田）18.6万亿次/秒No250（82）:曙光（上海超算中心）8.061万亿次/秒中国最快的100台计算机系统2007年11月No1:胜利油田IBM18.6万亿次/秒No3:上海超级计算中心曙光8.061万亿次/秒No100：沈阳电信浪潮1.265万亿次/秒No100+:山东省高性能计算中心浪潮0.749万亿次/秒第二十三页，共六十三页，2022年，8月28日2008上半年top10第二十四页，共六十三页，2022年，8月28日

从部署的国家来看，美国依旧在高性能计算领域占据着优势的地位。最新的TOP500系统中，有257套部署在美国，竟然占到了TOP500的一半多。与之相比，在TOP500的系统中仅有12套部署在中国。

2008年6月初刚刚完工的IBMRoadrunner（走鹃）排名NO.1，安放在美国能源部LosAlamos国家实验室，由IBMPowerXCell3.2GHz和AMDOpteronDC1.8GHz两种处理器组成，拥有122400个计算核心，最高性能1.026PFlops，峰值性能1.37578PFlops，功耗2345.5千瓦特。第二十五页，共六十三页，2022年，8月28日第二十六页，共六十三页，2022年，8月28日第二十七页，共六十三页，2022年，8月28日第二十八页，共六十三页，2022年，8月28日2008下半年top10第二十九页，共六十三页，2022年，8月28日2009上半年top10第三十页，共六十三页，2022年，8月28日美国虽然丢掉了前十强中的又一个席位，但在全部500套系统中依然占据291套，和半年前相同，英国以44套位列第二，另外欧洲从151套降至145套、亚洲从47套增至49套，其中中国内地21套、香港1套、台湾1套第三十一页，共六十三页，2022年，8月28日第三十二页，共六十三页，2022年，8月28日第三十三页，共六十三页，2022年，8月28日第三十四页，共六十三页，2022年，8月28日第三十五页，共六十三页，2022年，8月28日第三十六页，共六十三页，2022年，8月28日第三十七页，共六十三页，2022年，8月28日第三十八页，共六十三页，2022年，8月28日第三十九页，共六十三页，2022年，8月28日第四十页，共六十三页，2022年，8月28日216342009下半年top10第四十一页，共六十三页，2022年，8月28日Tianhe-1硬件系统计算阵列共有2560个计算结点；每个计算结点集成2个IntelCPU，配32GB内存。加速阵列共有2560个结点；每个加速结点含2个AMDGPU、2GB显存。服务阵列共有512个结点；每个服务结点含2个IntelEPCPU、32GB内存。互连通信子系统是采用两级InfinibandQDR互连；单个通信链路的通信带宽为40Gbps、延迟1.2μs。I/O存储子系统采用的是全局分布共享并行I/O系统结构；磁盘总容量为1PB。监控子系统，天河一号采用的是分布式集中管理结构，实现全系统的实时安全监测、系统控制和调试诊断等功能。第四十二页，共六十三页，2022年，8月28日Tianhe-1硬件系统分布图第四十三页，共六十三页，2022年，8月28日Tianhe-1软件系统第四十四页，共六十三页，2022年，8月28日Tianhe-1的七大技术多阵列可配置协同并行体系结构高速率扩展互联通信技术高效异构协同计算技术基于隔离的安全控制技术虚拟化的网络计算支撑技术多层次的大规模系统容错技术系统能耗综合控制技术。第四十五页，共六十三页，2022年，8月28日Tianhe-1四大特点高性能。无论是１２０６万亿次的峰值性能，还是５６３．１万亿次的Ｌｉｎｐａｃｋ实测性能，均位于国内榜首、世界一流。低能耗。能耗是每瓦电创造的计算效能，“天河一号”目前能效为每瓦４．３亿次运算，与２００９年６月公布的Ｔｏｐ５００排名第一的美国“走鹃”（Ｒｏａｄｒｕｎｎｅｒ）相当。参照２００９年６月公布的Ｇｒｅｅｎ５００（全球绿色超级计算机前５００强）排名，“天河一号”可以位居第５。高安全。“天河”实现了不同用户间数据和工作信息的相互隔离。对用户来说，相当于到银行租个保险柜，钥匙掌握自己手里。易使用。“傻瓜化”的操作界面和菜单、鼠标等常规操作，让机器的使用变得简单。同时，作为一台国际通用的标准化的超级计算机，“天河”上能运行来自各行业的各种程序，不存在兼容性问第四十六页，共六十三页，2022年，8月28日GPU-GPGPUGPU在并行处理和计算密集型问题求解等方面所具有的诸多优势，GPU已成为目前普通PC机所拥有的强大、高效的计算资源。从系统架构上看，GPU是针对向量计算进行了优化的高度并行的数据流处理机。这种以数据流作为处理单元的处理机，在对数据流的处理上可以获得很高的效率。根据NVIDIA公司开发的GPU工具包CUDA（ComputeUnifiedDeviceArchitecture）的测试结果显示，利用GPU实现FFT、BLAS、排序及线性方程组求解等科学计算，与单纯依靠CPU实现的算法相比，平均性能提高了近20倍。

GPGPU---通用GPU第四十七页，共六十三页，2022年，8月28日52010上半年top10第四十八页，共六十三页，2022年，8月28日Top10美国7台，中国2台，德国1台。Top500美国282台，中国24台，香港1台，德国24台第四十九页，共六十三页，2022年，8月28日在top10中采用MPP结构的系统有6台——Cray“美洲豹”和“海怪”、三台IBM蓝色基因机器、SGI“昴宿星”；采用Cluster结构的机器有4台——曙光“星云”、IBM“走鹃”、国防科大“天河”、Sun“红色天空”。MPP结构的系统又分为基于高性能通用多核CPU（Cray、SGI系统）和基于低功耗嵌入式CPU（IBM蓝色基因系统）。Cluster结构则分为同构（只用一种CPU，Sun“红色天空”）和异构（CPU+GPU或Cell，“星云”、“天河”和“走鹃”）。第五十页，共六十三页，2022年，8月28日第五十一页，共六十三页，2022年，8月28日第五十二页，共六十三页，2022年，8月28日第五十三页，共六十三页，2022年，8月28日第五十四页，共六十三页，2022年，8月28日Linux广泛用于405套系统(这还不算RedHat、SUSE发行版)，top10全采用Linux系统。微软WindowsHPC2008也占据了5套。第五十五页，共六十三页，2022年，8月28日内核数在4097~8192个291台，达到58.2%，而六个月前为252台。系统规模在8193~16384个处理器的系统从上一次的48台增加到57台。而系统规模在2049~4096个处理器的系统规模继续减少，从一年前的228台，到六个月前的160台，此次则减少到111台。规模低于2048个处理器的系统已经寥寥无几。其他规模的系统数量变化不大。第五十六页，共六十三页，2022年，8月28日说明计算机技术五十年的发展，尤其是近十年的发展十分迅猛，新概念、新技术不断涌现，对社会和生活的有巨大影响计算机应用的广度和深度日益扩大，概念有所变化：广度：信息家电（PDA、手机、MP3、MP4等）、嵌入式系统深度：高性能计算(HPC)、网格计算(GridComputing)、Web服务(WebServices)、多核技术(Multicore)等软、硬件技术发展不均衡。计算机的应用不是简单的编写程序，而是解决方案(solution)，集成(Integrated)，标准(Standard)技术的研发要从商业运营模式出发考虑，才能体现其价值第五十七页，共六十三页，2022年，8月28日课程学习的特点本科专业的重要课程可能是在其他学院不开的很少的几门计算机科学与技术的专业课程之一宏观上看计算机系统，不是单纯的硬件课程，而是硬件和软件的结合点综合知识，牵扯到多门课程。计算机组成、编译原理、操作系统、计算机网络、高级语言程序设计，微机原理与接口、嵌入式系统等第五十八页，共六十三页，2022年，8月28日课程学习的特点（续）重点讲解基本原理和相关的新技术、新概念。重视听课、课下复习有2-3次课堂测验第五十九页，共六十三页，2022年，8月28日教材及参考书教材：《计算机系统结构》第