计算机体系结构的现状及发展趋势计算机体系结构的现状及发展趋势计算机体系结构的现状及发展趋势计算机体系结构的现状及发展趋势 1.计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构现状现状现状现状概述概述概述概述 计算机体系结构是选择并相互连接硬件组件的一门科学和艺术，在人们不断探索研究的过程中，一直在追求计算机的功能、性能、功率以及花费的高度协调，以期达到各方面的最佳状态，在花费、能量、可用性的抑制下，实现计算机的多功能、高性能、低功率、少花费的一个新时代。根据当前体系结构的发展现状，要实现以上全部要求的一台计算机，还存在着诸多的限制条件，包括逻辑上的以及硬件上的。计算机的体系结构范围很广，定义也很宽泛，它包含了指令集的设计、组织、硬件与软件的边界问题等等，同时涉及了应用程序、技术、并行性、编程语言、接口、编译、操作系统等很多方面。作为各项技术发展的中心，体系结构一直在不断地朝前发展。 纵观计算机体系结构一路发展的历史，从60年代中期以前，最早的体系结构发展的早期时代，计算机系统的硬件发展很快，通用硬件已经很普遍，但是软件的发展却很滞后，刚刚起步，还没有通用软件的概念。从60年代中期到70年代中期，体系结构有了很大进步。多道程序、多用户系统引入了人机交互的新概念，开创了计算机应用的新境界，使硬件和软件的配合上了一个新的层次，但是此时的软件由于个体化特性很难维护，出现了“软件危机”。从20世纪70年代中期开始，分布式系统开始出现并流行，极大地增加了系统的复杂性，出现了微处理器并获得了广泛应用。如今计算机的体系结构发展已经进入了第四代，硬件和软件得到了极大的综合利用，迅速地从集中的主机环境转变成分布的客户机／服务器(或浏览器／服务器)环境，新的技术不断涌现出来。尽管如此，计算机在总体上、功能上需要解决的问题仍然存在。随着RISC技术、Cache等创新技术的发展，不仅仅在专业领域，越来越多的PC机也在向此靠拢。在每一次进步与创新的同时使组件的成本降到最低成为最需要考虑的问题。 本文主要介绍高性能计算机的体系结构中应用的关键技术以及高性能计算机体系结构技术的发展趋势。

2 高性能计算机体系结构高性能计算机体系结构高性能计算机体系结构高性能计算机体系结构 高性能计算(high performance compute，HPC)是一个计算机集群系统，它通过各种互联技术将多个计算机系统连接在一起，利用所有被连接系统的综合计算能力来处理大型计算问题。高性能

计算方法的基本原理就是将问题分为若干部分，而相连的每台计算机(称为节点)均可同时参与问题的解决，从而显著缩短了解决整个问题所需的计算时间。解决大型计算问题需要功能强大的计算机系统，随着高性能计算的出现，使这一类应用从昂贵的大型外部计算机系统演变为采用商用服务器产品和软件的高性能计算机集群。因此，高性能计算系统已经成为解决大型问题计算机系统的发展方向。 对于服务器而言，单纯地提高单个处理器的运算能力和处理能力正在变得越来越难，虽然制造商从材料、工艺和设计等方面进行了不懈的努力，近期内CPU保持着高速的增长势态，但高频之下的高功耗所引起的电池容量问题和散热问题等负面效应，以及这些负面效应对整机系统产生的电磁兼容性问题，又反过来将CPU运算能力的提升推到了暮年。显然，提高单个处理器速度和性能已是强弩之末。而研发多个CPU的并行处理技术，才是真正提高现代服务器处理能力和运算速度的有效途径。目前，由图SIMD技术、Single Proc技术、Const技术已经不再使用，并行处理技术主要有SMP技术、NUMA技术、集群技术和网格技术等。根据2006年对排行前500名的机器作TOP500统计，TOP500中的Cluster约占70。8％，MPP(含CC—NUMA)约占22％，而SMP约占7。2％。 2.1 SMP技术技术技术技术 对称多处理(symmetrical multiprocessing，SMP)技术是相对非对称多处理技术而言的、应用十分广泛的并行技术。在这种架构中，多个处理器运行操作系统的单一复本，并共享内存和一台计算机的其它资源。所有的处理器都可以平等地访问内存、I／0和外部中断。系统资源被系统中所有CPU共享，工作负载能够均匀地分配到所有可用的处理器之上。目前，大多数SMP系统的CPU是通过共享系统总线来存取数据，实现对称多处理的。在SMP系统中增加更多处理器的两个主要问题是系统不得不消耗资源来支持处理器抢占内存，以及内存同步. 2.2 NUMA技术技术技术技术 在非一致访问分布共享存