如何设计一个高性能计算机档讲解

如何设计一个高性能计算机

1.要设计一个高性能计算机，首先我们得了解计算机的基本组成，运算以及运行方式。

计算机的基本组成：输入设备，存储器，运算器，控制器，输出设备

基本计算模式:

主机/终端, 客户机/服务器,服务器聚集,网格计算,云计算。

2.了解计算的基本组成后我们还要知道高性能计算机的概念，从而从一个基本计算机身上，设计出一个高性能计算机。

高性能计算机及分类,实现高性能的途径-并行

平衡性, 局部性, 周期隐藏

SISD, SIMD, MIMD, MISD, SPMD

指令级并行, VLIW, EPIC

流水线, 向量机, PVP, 数组处理机

SMP, 紧偶合, 共享存储, Cache 一致性

MPP, 机群,松散偶合, 分布式存储

ccNUMA, 计算资源虚拟化

3.获得高性能的途径

提高部件性能极其限度: CPU, 内存, 磁盘, 网络

并行处理, 设计优化, 性能优化

开发局部性: 空间局部性, 时间局部性

并行性与局部性的矛盾

周期隐藏

（1）计算机--从串行到并行

基本的串行计算机结构

(CPU)

4.高性能计算机分类

基于体系结构的分类

基于访存模式的分类

基于指令流/数据流的分类

1，机群系统：

IA + Linux/NT: 联想深腾1800 系列，性价比高

RISC + Unix: IBM sp 系列，性价比低

2，UNIX SMP 小型机：IBM 690，SUN,

商务计算为主, 易编程，可扩展性差

3，（传统）大规模并行机(mpp)：T3E，曙光1000

编程不易，曾停止发展

Cray XT系列的Red Storm 重新抬头, TOP10, 原因: 大规模时体积小

4，向量机（传统超级机）：CRAY, 银河I

不再单独发展

5，向量并行机：NEC地球模拟器, Cray X1

速度高，效率高, 昂贵，专用，非产品化

在世界TOP500份额居第二

6, ccNUMA：SGI Qrigin3000, Altix3000

兼顾可扩展性和可编程性

7，专用机：IBM BlueGene, BlueGen/L

解决规模(速度)和体积功耗矛盾

5.分类基于指令流/数据流的体系结构

指令流(程序流）／数据流并行

单指令流单数据流(SIＳD): 单ＣＰＵ计算机

单指令流多数据流(SIMD)：数组处理计算机

多指令流单数据流(MISD：栈计算机（无实用机）

多指令流多数据流(MIMD)：MPP, cluster

SPMD: 单程序/多数据流, MPP, cluster

MPMD: 多程序流/多数据流, 高吞吐(事务处理)

6.CPU 芯片发展趋势

CPU 芯片最终收敛到两家：Intel, IBM

理由：市场规模决定芯片生存

现实：志强/安腾赶上/超过RISC芯片,单

CPU 速度达到每秒100亿次

IBM 采用铜连线、绝缘衬底、Low k 技术

Power6速度超过80亿次/秒

HP/Compaq向INTEL 靠拢，Alpha 停止发展

SUN：采用志强

SGI：放弃MIPS, 采用IA64做Altix 服务器

最终趋势：IA 和RS6000（IBM Power) 存在和发展

流水线与向量机

7．流水线与向量机

流水线: pipelines

向量处理机: vector processor, 并行向量处理机(PVP)

数组处理机: array processor

内存访问流水线

消息传递流水线(/message queue)

8.网络计算模式

1，主机（mainframe)/终端(1980年代中期年以前）

直接I/O连接或互连网连接

效率高,

开放性,扩充性差,技术复杂

2, 客户机/服务器（client/server)(1980年代后期以来）

基于局域网（LAN）或广域网（W AN）

开放、可扩充

难管理

总拥有成本（TCO）高

3.大规模并行处理系统结构设计规范

系统设计目标: 浮点速度, 字长, 内存总容量, 磁盘总容量,

点-点通信带宽, 等分带宽(bi-section) ,

可扩展性, 系统均衡性

系统结构: 可扩展分布式(共享?)存储, MIMD/SPMD

结点机: 单/SMP, CPU种类与主频, cache, 内存, I/O接口

互连网络: 高速网: mesh(2D/3D), Tree, nCUBE; 以太网

结点-网络接口: 与高速网对应, 单/双卡, 带宽

9.当了解了计算机与高性能计算机的原理与技术的时候，我们就可根据这些理论来进行设计一个高性能计算机。

1.大规模并行处理系统结构设计规范

（1）系统设计目标: 浮点速度, 字长, 内存总容量, 磁盘总容量,

点-点通信带宽, 等分带宽(bi-section) ,

可扩展性, 系统均衡性

（2）系统结构: 可扩展分布式(共享?)存储, MIMD/SPMD

（3）结点机: 单/SMP, CPU种类与主频, cache, 内存, I/O接口

（4）互连网络: 高速网: mesh(2D/3D), Tree, nCUBE; 以太网

（5）结点-网络接口: 与高速网对应, 单/双卡, 带宽

2.大规模并行处理系统结构设计规范(续

（1）I/O: 专用/通用结点机, PCI/专用通道, SAN/NAS

外部网络连接: 前端机/客户机

操作系统:

结点OS(Unix/Linux/WindowsNT),

并行OS (active message ), 实/虚存, 并行文件系统

（2）使用模式: 批处理/交互式, 独占/多用户, client/server,

直接login, 远程host, 网格

（3）并行编程环境: 并行优化编译, 库函数, 调试器,

PVM/MPI, HPF

(4)可视化工具: 并行程序运行可视化, 运行结果可视化

3.MPP结构设计规范实例

系统设计目标:

浮点速度: 25.6亿次/秒, 32CPU(计算)

内存总容量: 1024MB, 磁盘总容量: 5GB

点—点通信带宽: 80MB/秒(双); 等分带宽:480MBS