计算机系统结构的发展前景

计算机系统结构的发展前景

课程：计算机系统结构

学号：1006440716

班级：计算机10-02班

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近十几年来，计算机技术得到迅猛发展和普及，使得从事各种技术工作的人员对计算机的了解普遍加深。但由于技术层次的多面性和应用的差异性，特别是发展的迅猛和不均匀所带来的迷惑性，使人们不易看清某个方面的具体发展现状。计算机体系结构是设计计算机应用系统的一个重要参考因素，是一个近来较受关注的话题。根据目前计算机体系结构的发展状况来看，未来一段时间，计算机体系结构将向以下几个方向发展：

一、VLIW体系

VLIW指的是一种指令集设计思想与技术，它利用编译器把若干个简单的、无相互依赖的操作压缩到同一个很长的指令字中。当超长指令字被从Cache或主存取进处理器时，可以容易地分割出各个操作，并一次性分别分派到多个独立的执行单元中并行执行。

二、单芯片多处理器体系

单芯片多处理器是随着VLSI工艺水平的提高自然会想到的一个方向。在0.25mm工艺下，单片可以集成20个21064（32kCache）；在2010年将实现的0.07mm 工艺下，单片可以集成60个21064水平的微处理器。不远的将来，现今的SMP 系统可以完全集成在一个芯片内，其性能提高显然是诱人的。

三、多线程体系

多线程技术结合了指令级现场交换和顺序调度技术，是数据流模型和冯·诺伊曼控制流模型的有机结合。简单地说，线程是一组静态排序的指令序列，其中，当第一条指令开始执行，后续指令即开始执行而不中断。线程作为执行调度的基本单位，多个线程可以并发（并行）执行，以达到互相隐藏延迟操作和提高并行度的效果。

网格技术有可能成为实现Petaflops的另一条途径。网格是近年来计算机体系结构发展的一个重要方向，其基本思想是通过Internet进行资源共享和协同工作。目前连接到Internet的计算机已经达到1亿台以上，通过互联网可能达到的聚合计算潜力是不可估量的。国际上已经有Globus等组织为网格环境制定标准和参考实现。但是用网格技术实现PetafloPs仍需要关键技术上的突破：一方面互联网连接的速度和带宽仍有待提高，近年来，网络通信技术以超摩尔定律的速度高速增长，已经为此提供了可能，达到实用阶段只是时间问题。另一方面是有效的网格体系模型和计算模型还没有建立。网格的资源是分散和动态的，计算也是一种分散的、动态的过程。传统的并行共享内存或消息传递程序模式不能直接有效地利用,如何科学计算高效使用网格的计算能力是当前一个主要的研究方向。

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16 000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。

集群架构的超级计算系统，特别是以采用普通商用芯片和内联技术组成的所谓“贝奥伍尔夫集群(Beowulf Cluster)”系统，在近几年获得突飞猛进的发展，迅速成为目前高性能计算架构的主流。在最新的全球500强排名上，确实已有超过70％的系统属于集群系统。它大受欢迎的主要原因在于其经济有效性和公开性，与MPP的不同之处在于，它一般采用廉价的普通IA服务器为运算节点，小规模的系统一般用以太网进行内联，规模大一点的和性能要求较高的系统多采用InfiniBand、QsNET 或Myrinet作为内联网络，外加免费的、公开的、通用的操作系统(Linux)和并行编程接口(MPI)，使超级计算机的造价告别了天文数字。

刀片式服务器技术经历了不同的研究发展阶段，从1999～2001年最初的Blade Swich领域，及其后的体系结构(architecture)、存储虚拟化，到2004年刀片式服务器整体性能提升技术研究，再到2005年刀片式服务器的专用化研究，可以说刀片式服务器产品在多核、低功耗技术的推动下已完成从追求高计算密度的第一代刀片，发展到强调整体综合性能、高生产力的第三代刀片产品。未来的两到三年，刀片式服务器将以其高服务密度、敏捷式部署维护、全方位监控管理融合、高可扩展性、高可用性，全面取代传统的基于机架式服务器的Linux 集群体系架构。预期基于刀片式服务器的Linux集群架构将兴起。

基于应用级集群虚拟计算技术不仅将带来更高的集群部件利用率，同时也会带来支持应用动态迁移、故障自动隔离、系统自动重构的高可靠集群应用环境，以及更为简洁、统一的Linux集群管理模式。伴随Microsoft的Virtual Server、VMware 的vMware Workstation和Xensource的Xen，以及Inte1的Vanderpool、AMD的Pacifica等部件级及系统级虚拟技术的兴起，预计未来几年虚拟技术在集群系统应用中将会有更深一步的发展。

基于商业计算及信息化应用对集群架构的普及推动，预计基于内外网隔离、统一身份认证、访问控制、分布式入侵检测、流量分析、应用层及传输层加密传输协议、主动防护等技术催生全新的集群应用可信计算环境构造技术框架，从而使计算机获得从物理层到应用层全方位的、多层次的、立体的集群应用安全环境，为高性能计算机的商业应用打下了良好的基础。

软件体系结构设计既然作为软件工程的一部分，它的计算机辅助实现手段是相当重要的。我们应当开发出一些软件工具来实现体系结构的描述和分析，开发阶段转换工具，以实现阶段成果的自动转换，例如，把需求规格说明自动转换为构件等。目前关于这方面的研究成果很少，特别是可以应用到实际项目开发中的工具和环境就更少。

计算机科学与技术的各门学科相结合，改进了研究工具和研究方法，促进了各门学科的发展。过去，人们主要通过实验和理论两种途径进行科学技术研究。现在，计算和模拟已成为研究工作的第三条途径。

计算机与有关的实验观测仪器相结合，可对实验数据进行现场记录、整理、加工、分析和绘制图表，显著地提高实验工作的质量和效率。计算机辅助设计已成为工程设计优质化、自动化的重要手段。在理论研究方面，计算机是人类大脑