大三体系结构课程简介

欢迎《计算机系统结构》课程简介

主讲：何水兵Tel:E-mail:10一月20242一、教材与参考书目教材

《计算机系统结构》，高辉等，武大出版社，2006年参考书目

《计算机系统结构》（第二版），郑纬民，清华出版社，2001年

《计算机系统结构》，陆鑫达，高等教育出版社，1996年

《计算机系统结构》（第三版），李学干，西安电子科大出版社，2000年

《并行处理系统结构》，屈玉贵，中国科学技术大学出版社，1999年

《计算机系统结构学习辅导及习题解答》，高辉等，武汉大学出版社，2006年10一月20243郑纬民:1946年生,浙江宁波人.清华大学教授、博士生导师、高性能计算机研究所所长10一月2024410一月20245陆鑫达，1938年9月生，上海市人。上海交通大学计算机科学与工程系教授、博士生导师、高性能计算研究室主任10一月20246李学干:教授,欧亚学院信息工程学院副院长。原西安电子科技大学计算机学院系统结构教研室主任，硕士生导师。10一月20247屈玉贵，女，1945年生于山东聊城。博士生导师，现任中国科学技术大学信息科学实验中心主任。10一月20248其它参考书参考书目《可扩展并行计算技术、结构与编程》（ScalableParallelComputingTechnology,Architecture,Programming），黄铠著，陆鑫达译，机械工业出版社，2000《计算机体系结构-量化研究方法》（ComputerArchitecture:AQuantitativeApproach）(ThirdEdition),JohnL.Hennessy&DavidA.Patterson,机械工业出版社，2002《计算机系统结构：一种定量的方法》（第二版），JohnL.Hennessy&DavidA.Patterson著，郑纬民译，清华大学出版社，200210一月20249二、教学目的与教学大纲计算机系统结构是一门从组织和结构角度学习、领会计算机系统的课程。通过本课程的学习，要求能进一步树立和加深对计算机系统的整体概念，熟悉有关计算机系统结构的概念、原理，了解常用的基本结构，领会结构设计的思想和方法，提高分析和解决问题的能力。10一月202410教学大纲（一）掌握计算机系统结构、组成和实现的定义，重点掌握计算机系统的分类、性能评价。了解计算机系统结构的发展，熟悉计算机系统的设计技术。

掌握浮点数据表示和高级数据表示，重点掌握指令格式的优化设计技术，了解指令系统的性能分析和设计风格。WuhanUniversity10一月202411教学大纲（二）了解指令的三种解释方式，掌握标量流水中的障碍及控制方法，重点掌握标量流水工作原理、性能分析和非线性流水线的调度技术，熟悉超标量与超流水技术和向量流水处理技术。了解并行性的基本概念、开发途径，掌握SIMD计算机的典型结构和并行算法，重点掌握SIMD计算机的互连网络结构，熟悉多处理机的结构、并行性开发以及操作系统。

10一月202412三、学习基础与发展方向硬件基础：计算机组成原理、数字逻辑、大规模集成电路设计软件基础：高级程序语言设计、数据结构、操作系统发展方向：高等计算机系统结构、分布式并行处理（结构与算法）10一月202413计算机主要硬件课程WuhanUniversity10一月202414四、学时分配（36学时，2学分）计算机系统结构的设计基础：4数据表示与指令系统性分析：8重叠、流水和向量处理机：12并行处理技术：1210一月202415五、考核方式与参考资源笔试(闭卷)成绩评定：70%期末考试（闭卷）20%平时成绩（作业）10%考勤10一月202416参考资源（一）国外资源链接：体系结构相关专业链接

,Univ.ofWisconsin,Univ.ofCalifornia,Berkeley计算机科学组织机构链接

,ACM,IEEE,MICRO,计算机体系结构技术委员会世界计算机硬件厂商链接

10一月202417参考资源（二）国外资源链接其他相关资源

国内资源链接，联想，华硕，集成网

10一月202418参考资源（三）顶级国际学术会议顶级国际学术期刊10一月202419六、计算机技术的发展自1946年以来，近60年计算机发展惊人性能：（加法）速度提高了5个数量级价格：今天$1000的机器相当于60年代中$1000,000的机器。这里同性能计算机的价格比，改善了三个数量级计算机技术的发展主要动力器件的发展和系统结构的改进10一月20242010一月202421ENIAC-技术细节Decimal(notbinary)十进制（没有二进制）20accumulatorsof10digits十位数字的累加器有20个Programmedmanuallybyswitches通过开关人工编程18,000vacuumtubes18,000个晶体管15,000squarefeet15,000平方英尺140KWpowerconsumption140KW电力消耗5,000additionspersecond每秒可执行5000次加法运算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计算机系统性能的提高10一月2024301980之前，计算机性能每年提高25%-30%20世纪80年代初，出现微处理机依靠集成电路技术，性能每年提高35%20世纪80年中期，出现RISC技术、高级语言和操作系统等，性能每年提高50%1995年，先进系统结构对微处理器性能的贡献是单纯技术进步的5倍近几年及将来计算机系统的性能按摩尔定理发展，性能每年提高近60%性能提高的几个阶段10一月202431七、三个问题四类新型半算机系统摩尔定律的终结超级计算机10一月2024321、四类新型半算机系统背景：我们的时代是一个万国互网、辩证综合、跨域一体、百科整合的时代，我们的时代更是一个社会、科学、技术、经济、教育高速发展的时代应对：要有宏观的、战略性的、跨域性的且宏微结合的具体研究；要有交缘性、横断性、综合性的具体创新开拓10一月202433戈登·摩尔1965年提出：芯片上可以容纳的晶体管数量每隔18个月会翻一番，相应的计算能力也随之翻番美国NSF向美国政府申请了2000万美元的经费用于2009年的财政规划，计划启动一个超越摩尔定律的科学与工程（SEBML）项目

2、摩尔定律10一月202434摩尔定律终结的原因高功耗产生高温度，提高了封装成本和测试成本，对摩尔定律的成本按比例减低方面，产生终结效应。芯片及散热装置的高功耗，对国民经济的能源安全提出了新的要求，这反过来对摩尔定律产生终结效应。高功耗产生很多副面影响，而为了保证摩尔定律，就要采用低功耗设计，这又反过来加大设计复杂度，对摩尔定律产生终结效应。10一月202435提高主频的空间已经很小微处理器主频已达6GHz，门延迟小于0.01ns信号延时：30万公里/秒/2＝1.5mm/0.01nsPentium芯片面积500mm2，即23mm23mm当半导体工艺进入0.18μm以后，线延时已经超过了门延迟提高微处理器速度的途径之一依靠更加精密的布线技术---还有少量余地开发新的器件，例如生物芯片和光电子器件等未来微处理器的发展WuhanUniversity10一月202436微处理器发展趋势10一月2024371个group可以有任意条指令，同一group内的指令可以同时执行共9个功能部件：2个整数部件i、

2个浮点部件f、

2个访存部件m、

3个分支部件b。

安腾(Itanium)处理机10一月2024383、超级计算机与TOP500

计算机系统的“3T目标”：每秒1万亿次的浮点计算能力(1TFLOPS)主存应达到240字节的存储容量(1TB主存)每秒达到240字节/秒I/O吞吐率(1TB/S)10一月2024392002年11月第20届top500排行榜第一NECEarth-Simulator5120颗处理器、35.86TFlops连续五届居榜首10一月202440Earth-simulator10一月20244110一月2024422004年11月第24届top500排行榜第一IBMBlueGene13万多颗处理器、280.6TFlops连续多届居榜首10一月202443IBMBlueGene/L10一月202444IBMBlueGene/L10一月202445IBMBlueGene/L10一月202446蓝色基因/L系统美国能源部（DOE）劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LawrenceLivermoreNationalLaboratoryLLNL)Linpack基准测试性能Rmax为280.6Tflops，2007年已达到478.2Tflops系统采用了13-21万颗PowerPC440700MHz处理器，运行CNK/Linux系统连续多届获得第一。10一月202447TOP500排行榜前十名(2007.11)序号厂商型号位置处理器数性能(Tflops)1IBMBlueGene/L美国212992478.22IBMBlueGene/P德国65536167.33SGIICE8200美国14336126.94HPEKA印度14240117.95HPCP3000瑞典13728102.86CaryRedStorm美国26569102.27CaryJaguar美国23016101.78IBMBGW美国4096091.299CaryFranklin美国1932085.36810IBMNewYorkBlue美国3686482.16110一月202448国产高性能计算机简介HPC或称超级计算机是计算机中功能最强、运算速度最快、存储容量最大和价格最贵的一类计算机1956年周总理亲自领导了《科学技术发展十二年规划》银河、神威、浪潮、联想、曙光等系列计算机10一月2024491800(2002年排TOP500第43位)10一月202450联想深腾6800(2003年排TOP500第14位)10一月2024512004年6月第23届top500排行榜曙光4000A排第十是继美、日之后第三个跨越了10亿次计算机的国家10一月202452曙光4000系列计算机组成具有十万亿次浮点运算能力面向网格的曙光4000A具有百万亿字节海量数据处理能力面向网络安全的曙光4000L具有五千亿次通用运算能力和四万亿次专用处理能力面向生物信息处理的曙光4000H具有异构特性面向SAR实时成像处理的曙光4000I10一月202453曙光4000A系统规模达到640个结点，每个结点为4CPU的SMP系统(共计2560个CPU)，采用AMD2.2GHzOpteron64位处理器11.264TFLOPS峰值运算速度存储容量达到42TB除CPU和Linux平台系统外，其他部件都使用了自己的技术

10一月202454曙光4000A机房10一月202455曙光4000A显示屏10一月202456曙光4000A机柜一角10一月202457中国高性能计算机TOP100排行榜

(2007.11)前15名序号厂商

型号

地点时间处理器Linpack值1IBMHS21Cluster胜利油田2007409618.6/38.2242IBMpSeries655国家气象局2005320010.31/21.763曙光4000A上海超计200425608.061/11.2644SGIAltix4700气象卫星200712807.127/8.1925-10HPBL-20P游戏公司200719506.976/12.4811曙光4000L河北省200710246.243/10.89512曙光OpteronDualCore

政府部门200719204.992/9.98413HPPA8900神州数码200720484.966/9.01114HPBL20p大庆油田200613124.694/8.39715HPPA8800神州数码200720484.424/8.19210一月202458曙光5000的技术特点在世界上首次提出既能应对千万亿次科学计算又能十分有效地支持能力计算（utilitycomputing）、应用面广的HPP体系结构（HyperParallelProcessing）