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1、计算机系统结构第1页,此课件共63页哦课程目标课程目标 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。本课程主要包括课程主要包括计算机系统结构基本概念、组成及相关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、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。分析及设计方法;计算机系统设计的基本方法。通过通过本课程的学习,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,理,以及在硬件、软件界面划分的权衡策
2、略,建立完整建立完整的、系统的计算机软硬件整体概念的、系统的计算机软硬件整体概念。第2页,此课件共63页哦课程主要内容课程主要内容v计算机系统结构概论计算机系统结构概论v数据表示、寻址方式与指令系统数据表示、寻址方式与指令系统v存储、中断、总线与存储、中断、总线与I/OI/O系统系统v存储体系存储体系v流水和指令级高速并行的超级机流水和指令级高速并行的超级机v阵列处理机阵列处理机v多处理机多处理机v数据流机和规约机数据流机和规约机*v多核技术多核技术第3页,此课件共63页哦课程的重点课程的重点v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
3、统结构,即不是以具体的机器为实例进行教学v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v了解新技术、新概念,扩大知识面如:RISC、RAID、SMP、Cluster等如:网格计算(Grid Computing)如:多核技术(Multicore)如:Itanium 2与Opteron等第4页,此课件共63页哦计算机发展的基础计算机发展的基础v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5页,此课件共63页哦计算机技术的发展计算机技术的发展v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
4、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,改善了个数量级。v从发展过程中体会本课程的含义。第6页,此课件共63页哦指数增长的世界网络网络 vs.计算机性能计算机性能 处理器速度每处理器速度每18个月翻一番个月翻一番 存储密度存储密度 每每12个月翻一番个月翻一番 网络速度网络速度 每每9个月翻一番个月翻一番 1986-2000计算机:计算机:500网络:网络:340,0002001 2010 计算机:计算机:60网络:网络:4,000第7页,此课件共63页哦Gordon Moore(Founder of Intel)observe
5、d in 1965 that the number of transistors that could be crammed on a chip doubles every year.This has CONTINUED to be true since then.第8页,此课件共63页哦摩尔定律(摩尔定律(1979年)年)v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v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v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9页,此课件共63页哦摩尔定律即将终
6、结?摩尔定律即将终结?vIntel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10页,此课件共63页哦Processor performance,as measured by the SPEC benchmark has also risen dramatically.第11页,此课件共63页哦Memory Capacity(and Cost)have changed dramat
7、ically in the last 20 years.year size(Mb)cyc time19800.0625250 ns19830.25220 ns19861190 ns19894165 ns199216145 ns199664120 ns2000256100 ns第12页,此课件共63页哦Based on SPEED,the CPU has increased dramatically,but memory and disk have increased only a little.This has led to dramatic changed in architecture,O
8、perating Systems,and Programming practices.CapacitySpeed(latency)Logic2x in 3 years2x in 3 yearsDRAM4x in 3 years2x in 10 yearsDisk4x in 3 years2x in 10 years第13页,此课件共63页哦Scaling to 0.1m,nmuSemiconductor Industry Association,1992 Technology WorkshopvProjected future technology based on past trends19
9、921995 1998200120042007Feature size:0.5 0.35 0.25 0.180.12 0.10(m)Industry is slightly ahead of projectionDRAM capacity:16M 64M 256M 1G 4G 16GDoubles every 1.5 yearsChip area(cm2):2.5 4.06.08.010.012.5Way off!Chips staying small第14页,此课件共63页哦v芯片制造工艺在芯片制造工艺在19921992年以后,从年以后,从0.50.5微米、微米、0.350.35微米、微米、
10、0.250.25微米、微米、0.180.18微米、微米、0.150.15微米、微米、0.130.13微米、微米、9090纳米、纳米、6565纳米一直发展到目前最新的纳米一直发展到目前最新的4545纳米,纳米,3232纳米纳米v目前研发目前研发2828、2222纳米芯片纳米芯片 第15页,此课件共63页哦Intel 的Tick-Tock模式Intel按按“Tick-Tock”模式和节奏进行技术创新和新产品的开发。模式和节奏进行技术创新和新产品的开发。v-Tock(2006年,偶数年年,偶数年)-发布酷睿微架构,延续之前的发布酷睿微架构,延续之前的65纳米制造工艺纳米制造工艺v-Tick(2007
11、年,奇数年年,奇数年)-45纳米制造工艺开始量产,延续酷睿微架构纳米制造工艺开始量产,延续酷睿微架构v-Tock(2008年,偶数年年,偶数年)-发布发布Nehalem 微架构,延续微架构,延续45纳米制造工艺纳米制造工艺v-Tick(2009年,奇数年年,奇数年)-32纳米制造工艺开始量产,延续纳米制造工艺开始量产,延续Nehalem微架构微架构v-Tock(2010年,偶数年年,偶数年)-发布发布Sandy Bridge微架构,延续微架构,延续32纳米制造工艺纳米制造工艺v-Tick(2011年,奇数年年,奇数年)-22纳米制造工艺开始量产,延续纳米制造工艺开始量产,延续Sandy Bri
12、dge 微架构微架构第16页,此课件共63页哦Intel的45纳米处理器 2008 2008年年1111月月1616日,英特尔在中国一口气发布了日,英特尔在中国一口气发布了1616款主要面向服务器和高端款主要面向服务器和高端PCPC的新一代的新一代4545纳米纳米“PenrynPenryn”处理器。处理器。v相比先前采用相比先前采用6565纳米技术构建的处理器芯片,新型英特尔纳米技术构建的处理器芯片,新型英特尔4545纳米(纳米(1 1纳米纳米=10=10亿亿分之分之1 1米)处理器的晶体管密度几乎翻了一番,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这就相当于四核处理器上装载
13、了载了8.28.2亿个晶体管。亿个晶体管。v Penryn Penryn 与酷睿相比与酷睿相比,芯片片尺寸方面缩小了,芯片片尺寸方面缩小了2525,而晶体管数量方面则,而晶体管数量方面则上升了上升了4040,晶体管总数量达到,晶体管总数量达到8.28.2亿个。亿个。v在节能方面,在节能方面,4545纳米工艺可以使芯片功耗降低纳米工艺可以使芯片功耗降低30%30%,采用更高介电常数的采用更高介电常数的金属栅极取代传统的低介电常数金属栅极取代传统的低介电常数(low-k)(low-k)的二氧化硅的二氧化硅,栅极漏电率降低到原来的栅极漏电率降低到原来的1/5-1/101/5-1/10,并大幅度提高晶
14、体管开关速度。并大幅度提高晶体管开关速度。第17页,此课件共63页哦Intel的32纳米工艺特点v采用了第二代高采用了第二代高-K金属栅极晶体管技术:业界最短的栅极长度金属栅极晶体管技术:业界最短的栅极长度-用于高用于高K材料的等价氧化物材料的等价氧化物(电介质电介质)的的厚度从厚度从45纳米工艺时的纳米工艺时的1纳米缩小至纳米缩小至0.9纳米,栅极长度缩小到了纳米,栅极长度缩小到了30纳米纳米,所以单位面积可以集成更多晶体管。处理器的同,所以单位面积可以集成更多晶体管。处理器的同比比封装尺寸将是封装尺寸将是45nm产品的产品的70%。-采用了第采用了第4代应变硅,电子在晶体管中的流通更顺畅,
15、阻力更小,耗电更代应变硅,电子在晶体管中的流通更顺畅,阻力更小,耗电更 低。低。v业界最窄的栅极间距业界最窄的栅极间距-晶体管的晶体管的栅极间距只有栅极间距只有112.5纳米纳米,为目前业界最紧凑的栅极间距。,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,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型晶体管的漏电量降到原来的五分之一原来的五分之一。无效功耗降到更低的水平。无效功耗降到更低的水平。v目前半导体晶体管技
16、术中最为有效的晶体管驱动电流,高能效。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18页,此课件共63页哦v在临界层上在临界层上使用浸没式光刻技术使用浸没式光刻技术,蚀刻电路更加精细和精确。,蚀刻电路更加精细和精确。v晶体管晶体管性能提升性能提升22%22%,令人侧目。,令人侧目。v 9 9个铜导线低个铜导线低-k-k互连层互连层,更低电阻率。,更低电阻率。v无铅、无卤素的封装无铅、无卤素的封装,绿色产品,更加环保。,绿色产品,更加环保。英特尔英特尔3232纳米技术的优势和成熟度,让纳米技术的优势和成熟度,让3232纳米处理器能以不低于纳米处理器能以不低于4545纳米时代的速度高
17、良率量产,甚至可以超过纳米时代的速度高良率量产,甚至可以超过4545纳米的量产速度。英特纳米的量产速度。英特尔公司将再次向人们诠释尔公司将再次向人们诠释 摩尔定律摩尔定律 的神奇之处的神奇之处-最新的最新的3232纳米处纳米处理器更小,更快,更强,更高能效。理器更小,更快,更强,更高能效。第19页,此课件共63页哦第20页,此课件共63页哦第21页,此课件共63页哦CPU与Memroy的性能呈现剪刀差第22页,此课件共63页哦目前最快的计算机(2007年)v世界最快的世界最快的500台计算机系统台计算机系统 2007年年11月月 www.top500.orgNo1:IBM BlueGene 4
18、78.2万亿次万亿次/秒秒No59:IBM(胜利油田)(胜利油田)18.6万亿次万亿次/秒秒No250(82):曙光(上海超算中心)曙光(上海超算中心)8.061万亿次万亿次/秒秒v中国最快的中国最快的100台计算机系统台计算机系统 2007年年11月月No1:胜利油田胜利油田 IBM 18.6万亿次万亿次/秒秒No3:上海超级计算中心上海超级计算中心 曙光曙光 8.061万亿次万亿次/秒秒No100:沈阳电信:沈阳电信 浪潮浪潮 1.265万亿次万亿次/秒秒No100+:山东省高性能计算中心山东省高性能计算中心 浪潮浪潮 0.749万亿次万亿次/秒秒第23页,此课件共63页哦2008上半年
19、top10第24页,此课件共63页哦 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IBM Roadrunner(走鹃)排名NO.1,安放在美国能源部Los Alamos国家实验室,由IBM PowerXCell 3.2GHz和AMD Opteron DC 1.8GHz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25页,此课件共6
20、3页哦第26页,此课件共63页哦第27页,此课件共63页哦第28页,此课件共63页哦2008下半年 top10第29页,此课件共63页哦2009上半年 top10第30页,此课件共63页哦美国虽然丢掉了前十强中的又一个席位,但在全部美国虽然丢掉了前十强中的又一个席位,但在全部500套系统中依然占据套系统中依然占据291套,和套,和半年前相同,英国以半年前相同,英国以44套位列第二,另外欧洲从套位列第二,另外欧洲从151套降至套降至145套、亚洲从套、亚洲从47套增至套增至49套,其中套,其中中国内地中国内地21套套、香港、香港1套、台湾套、台湾1套套 第31页,此课件共63页哦第32页,此课件
21、共63页哦第33页,此课件共63页哦第34页,此课件共63页哦第35页,此课件共63页哦第36页,此课件共63页哦第37页,此课件共63页哦第38页,此课件共63页哦第39页,此课件共63页哦第40页,此课件共63页哦216 3 42009下半年 top10第41页,此课件共63页哦Tianhe-1硬件系统v计算阵列计算阵列共有共有2560个计算结点个计算结点;每个计算结点集成;每个计算结点集成2个个Intel CPU,配配32GB内存。内存。v加速阵列加速阵列共有共有2560个结点;每个加速结点含个结点;每个加速结点含2个个AMD GPU、2GB显存。显存。v服务阵列服务阵列共有共有512个
22、结点;每个服务结点含个结点;每个服务结点含2个个Intel EP CPU、32GB内存。内存。v互连通信子系统互连通信子系统是采用两级是采用两级Infiniband QDR互连;单个通信链路的通互连;单个通信链路的通信带宽为信带宽为40Gbps、延迟、延迟1.2s。vI/O存储子系统存储子系统采用的是全局分布共享并行采用的是全局分布共享并行I/O系统结构;磁盘总系统结构;磁盘总容量为容量为1PB。v监控子系统监控子系统,天河一号采用的是分布式集中管理结构,实现全系统,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。的实时安全监测、系统控制和调试诊断等功能
23、。第42页,此课件共63页哦Tianhe-1硬件系统分布图第43页,此课件共63页哦Tianhe-1 软件系统第44页,此课件共63页哦Tianhe-1的七大技术v多阵列可配置协同并行体系结构多阵列可配置协同并行体系结构v高速率扩展互联通信技术高速率扩展互联通信技术v高效异构协同计算技术高效异构协同计算技术v基于隔离的安全控制技术基于隔离的安全控制技术v虚拟化的网络计算支撑技术虚拟化的网络计算支撑技术v多层次的大规模系统容错技术多层次的大规模系统容错技术v系统能耗综合控制技术。系统能耗综合控制技术。第45页,此课件共63页哦Tianhe-1四大特点v高性能。高性能。无论是万亿次的峰值性能,还是
24、万亿次无论是万亿次的峰值性能,还是万亿次的实测性能,均位于国内榜首、世界一流。的实测性能,均位于国内榜首、世界一流。v低能耗。低能耗。能耗是每瓦电创造的计算效能,能耗是每瓦电创造的计算效能,“天河一号天河一号”目前能目前能效为每瓦亿次运算,与年月公布的效为每瓦亿次运算,与年月公布的排名第一的美国排名第一的美国“走鹃走鹃”()相当。()相当。参照年月公布的(全球绿色超级参照年月公布的(全球绿色超级计算机前强)排名,计算机前强)排名,“天河一号天河一号”可以位居第。可以位居第。v高安全。高安全。“天河天河”实现了不同用户间数据和工作信息的相互隔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,
25、相当于到银行租个保险柜,钥匙掌握自己手离。对用户来说,相当于到银行租个保险柜,钥匙掌握自己手里。里。v易使用。易使用。“傻瓜化傻瓜化”的操作界面和菜单、鼠标等常规操作,让机器的使的操作界面和菜单、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,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,“天河天河”上能运行来自各行业的各种程序,不存在兼容性问上能运行来自各行业的各种程序,不存在兼容性问第46页,此课件共63页哦GPU-GPGPUvGPU在在并行处理和计算密集型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,问题求解等方面所具有的诸多优势,GPU
26、已成为目前普通已成为目前普通PC机所拥有的强大、高效的计算资源。从系统架机所拥有的强大、高效的计算资源。从系统架构上看,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。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。根据高的效率。根据NVIDIA 公司开发的公司开发的GPU工具包工具包CUDA(Compute Unified Device Architecture)的测试结果显示,)的测试结果显示,利用利用GPU实现实现FFT、BLAS、排序及
27、线性方程组求解等科学计算,与单纯依靠、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,平均性能提高了近实现的算法相比,平均性能提高了近20倍倍。vGPGPU-通用通用GPU第47页,此课件共63页哦 52010上半年 top10第48页,此课件共63页哦Top10美国美国7台,中国台,中国2台,德国台,德国1台。台。Top500美国美国282台,中国台,中国24台,香港台,香港1台,德台,德国国24台台第49页,此课件共63页哦在在top10中采用中采用MPP结构的系统有结构的系统有6台台Cray“美洲豹美洲豹”和和“海怪海怪”、三台、三台IBM蓝色基因蓝色基因机器、机器、SG
28、I“昴宿星昴宿星”;采用;采用Cluster结构的机器有结构的机器有4台台曙光曙光“星云星云”、IBM“走鹃走鹃”、国防科大国防科大“天河天河”、Sun“红色天空红色天空”。MPP结构的系统又分为基于高性能通用多核结构的系统又分为基于高性能通用多核CPU(Cray、SGI系统)和基于低功耗嵌系统)和基于低功耗嵌入式入式CPU(IBM蓝色基因系统)。蓝色基因系统)。Cluster结构则分为同构(只用一种结构则分为同构(只用一种CPU,Sun“红色天空红色天空”)和异构()和异构(CPU+GPU或或Cell,“星云星云”、“天河天河”和和“走鹃走鹃”)。)。第50页,此课件共63页哦第51页,此课
29、件共63页哦第52页,此课件共63页哦第53页,此课件共63页哦第54页,此课件共63页哦Linux广泛用于广泛用于405套系统套系统(这还不算这还不算RedHat、SUSE发行版发行版),top10全采用全采用Linux系统。微软系统。微软Windows HPC 2008也占据了也占据了5套。套。第55页,此课件共63页哦内核数在内核数在40978192个个291台,达到台,达到58.2%,而六个月前为,而六个月前为252台。系统规模在台。系统规模在819316384个处理器的个处理器的系统从上一次的系统从上一次的48台增加到台增加到57台。而系统规模在台。而系统规模在20494096个处理
30、器的系统规模继续减少,从一年前个处理器的系统规模继续减少,从一年前的的228台,到六个月前的台,到六个月前的160台,此次则减少到台,此次则减少到111台。规模低于台。规模低于2048个处理器的系统已经寥寥无几。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。其他规模的系统数量变化不大。第56页,此课件共63页哦说明v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v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(Grid Computin
31、g)、Web服务(Web Services)、多核技术(Multicore)等v软、硬件技术发展不均衡。v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)v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57页,此课件共63页哦课程学习的特点v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v宏观上看计算机系统,不是单纯的硬件课程,而不是单纯的硬件课程,而是硬件和软件的结合点是硬件和软件的结合点v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
32、原理与接口、嵌入式系统等第58页,此课件共63页哦课程学习的特点(续)v重点讲解基本原理和相关的新技术、新概念。v重视听课、课下复习v有2-3次课堂测验第59页,此课件共63页哦教材及参考书v教材:计算机系统结构第四版 李学干编著 西安电子科技大学出版社v参考书:计算机系统结构第二版 郑纬民 汤志忠 清华大学出版社 计算机系统结构 陆鑫达主编 高等教育出版社 计算机体系结构 石教英主编 浙江大学出版社 计算机体系结构 张晟曦著 高等教育出版社 Computer Architecture:A Quantitative Approach John L.Hennessy,David A.Patter
33、son ADVANCED COMPUTER ARCHITECTURE Kai Hwang 第60页,此课件共63页哦几本有趣的书v电脑启示录-许志伟(中科院计算所)电脑的故事、硅谷的秘密、电脑的未来http:/ 王俊秀v搜-约翰 巴特利著,googlev多核程序设计技术-通过软件多线程提升性能,电子工业出版社vComputer Systems Architecture a Networking Approach,Rob williams著(英)第61页,此课件共63页哦共勉之言v态度决定一切考试只是手段,掌握知识才是关键。本课的重点在于宏观理解计算机系统,扩大知识面。v交流、合作是成功的关键向他人公开你的见解和问题,勇于提出问题。通过报纸、杂志、书籍和网络查阅相关文献。v对本专业来讲:活到老、学到老,时时更新自己的知识。第62页,此课件共63页哦问题:v假如你有一台很Power的计算机系统,你能做什么?想做什么?v假如网络的带宽足够宽、延迟足够小,你能想象计算机系统是什么样?它对硬件和软件技术的影响如何?第63页,此课件共63页哦
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