超级计算机的进展与体系结构

高性能计算机发展历程及现状

龙源期刊网 https://www.sodocs.net/doc/b41025727.html, 高性能计算机发展历程及现状 作者：陈红梅等 来源：《软件导刊》2015年第03期 摘要：高性能计算已被公认为继理论科学和实验科学之后的第三大科学研究方法，是科技创新的重要手段。高性能计算机经过几十年的发展，经历了向量机、MPP、集群等几个阶段，我国高性能计算机的研制和应用也得到了快速发展。国内多所高校和科研院所纷纷构建高性能计算平台，江汉大学也构建了自己的高性能计算平台。对高性能计算机发展历程进行了梳理，并分析了其现状，重点介绍了江汉大学高性能计算平台。 关键词：高性能计算机；向量机；MPP；集群；中国TOP100；国际TOP500 中图分类号：TP3-0 文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2015）003-0007-02 0 引言 目前，高性能计算科学与技术已成为世界各国竞相争夺的战略制高点[1]。一些发达国家 和发展中国家纷纷制定战略计划，投入大量资金，加速研究开发步伐。美国从20世纪70年代起就实施了一系列推动计算科学发展的国家计划，包括“战略计算机计划”（SCP）、“高性能计算和通讯计划”（HPCC）、“加速战略计算计划”（ASCI）、“先进计算设施伙伴计划”（PACI）等。 1 高性能计算机发展历程 从20世纪70年代产生第一代高性能计算机开始，经过几十年的发展，高性能计算机经历了向量机、MPP、集群等几个发展阶段。 1.1 向量机 1974年，控制数据公司（Control Data Corporation，CDC）推出了CDC STAR-100，它是首先使用向量处理器（Vector Processor）的计算机，被认为是第一台向量机。1982年，克雷公司生产的Cray X-MP/2诞生，它是世界上第一部并行向量计算机。Cray X-MP系列计算机基于并行向量处理机结构，并行向量处理机是将向量处理器直接并行的一种体系结构。 当时的并行向量机占领高性能计算市场达20年之久，并行向量机处理器数目的增加，使得定制费用和维护费用越来越昂贵，性价比越来越低，已难以满足高性能计算机市场化的要求。

看高性能计算系统中常用的几种内部互联网络

看高性能计算系统中常用的几种内部互联网络 在大规模并行计算和机群等高性能计算系统中，处理器之间或计算节点之间的快速互联网络的重要程度并不亚于处理器本身。在早期的大型计算系统中，处理器之间的通信一直被所采用的互联网络（通常是以太网）延时 大、带宽不足等因素所牵制；如今，Myrinet、QsNet、SCI以及刚刚兴起的Infiniband等多种专用高速互联网络的成功应用，使得这种状况发生很大改观的同时，也使得高性能计算系统内部互联网络的选择成了一门学问。 高性能计算系统的互联方式有很多种，最初的机群系统是基于LAN技术的，也就是以最普通的以太网（Ethernet）作为数据交换媒介。其优势在于可以方便地增加计算节点到集群系统中，但是其缺点也很多，传输速度较慢，复杂的协议造成非常高的延时，并且限制了扩展性。各种各样的专用高速互联网络应运而生，最为典型的有Myrinet、QsNet，以及最近几年兴起的Infiniband,它们为集群系统提供了构建高带宽、低延时数据交换环境的可行条件。 广为应用的Myrinet Myrinet是目前机群系统中应用最为广泛的互联网络。Myricom公司从1994年就开始销售第一代Myrinet产品，当时只是作为以太网络的第二选择来实现机群系统中的节点互联，除了100MB/s 的高带宽外，它的主要优势是小数据量延时，只有10m～15ms，这与当时Convex、IBM、SGI等公司在并行系统中使用的专有网络的高延迟形成鲜明对比。此后随着软硬件的不断升级，Myrinet更是成为了机群制造商的第一选择，直到今天这种优势依然存在。 同Infiniband一样，Myrinet使用全双工链路，并且通过远程内存存取（Remote Direct Memory Access，RDMA）对其他主适配器卡（称为Lanai）的远程内存进行读/写操作，这些卡以与之连接的主机PCI-X总线为接口界面。 最新一代的Myrinet使用了光纤作为信号传输通道，这不仅在连接方面有了很大的灵活性，而且也给信号高速传输提供了足够空间。但同时不可忽略的是，由于光纤电缆和连接器都很“娇气”，很容易在机群节点维护的过程中受损，可靠性方面值得关注。 目前Myrinet已经有8～128口交换机提供。从Myricom自己提供的最新测试数据来看，使用业界惯用的MPI Ping-Pong测试方法，其带宽为230MB/s，MPI延时为10ms。 快速可靠的QsNet QsNet是Quadrics公司的产品，该技术的起源可以追溯到早期一家德国公司Meiko，它专门研制称号为CS-1、CS-2的并行计算系统，在当时的CS-2系统中就包括了一种很好的对数网络，在Meiko公司倒闭的时候，这种网络作为单独的产品保留并被一家意大利公司Alenia接手，放置在一个独立的公司Quadrics中运营。后来由于Digital/Compaq公司选择了QsNet作为其AlphaServer SC 系列高性能计算机的互联网络而一举成功。不过事实也证明，QsNet是一种快速、可靠的网络系统。从两年前开始，该技术也逐渐在机群系统中得到应用。

超级计算机的进展与体系结构

1.最新TOP10榜单 2.中国进展 3.体系结构 4.技术参数解析 TOP 10 Sites for June 2016 For more information about the sites and systems in the list, click on the links or view the complete list. Rank Site System Cores Rmax (TFlop/s) Rpeak (TFlop/s) Power (kW) 1 National Supercomputing Center in Wuxi China Sunway TaihuLight - Sunway MPP, Sunway SW26010 260C 1.45GHz, Sunway NRCPC 10,649,600 93,014.6 125,435.9 15,371 2 National Super Computer Center in Guangzhou China Tianhe-2 (MilkyWay-2) - TH-IVB-FEP Cluster, Intel Xeon E5-2692 12C 2.200GHz, TH Express-2, Intel Xeon Phi 31S1P NUDT 3,120,000 33,862.7 54,902.4 17,808 3 DOE/SC/Oak Ridge National Laboratory United States Titan - Cray XK7 , Opteron 6274 16C 2.200GHz, Cray Gemini interconnect, NVIDIA K20x Cray Inc. 560,640 17,590.0 27,112.5 8,209 4 DOE/NNSA/LLNL United States Sequoia - BlueGene/Q, Power BQC 16C 1.60 GHz, Custom IBM 1,572,864 17,173.2 20,132.7 7,890 5 RIKEN Advanced Institute for Computational Science (AICS)K computer, SPARC64 VIIIfx 2.0GHz, Tofu 705,024 10,510.0 11,280.4 12,660

25台庞然大物鉴证超级计算机发展史

25台庞然大物鉴证超级计算机发展史 你以为旧式的巨型计算机现在就应该躺在博物馆里?当我们开始学习电脑的时候，它们已经比那些巨大的前辈缩小了N 多倍。不过到今天为止，仍旧有许多旧式巨型计算机还在做各种疯狂的工作。今天我们就给大家列举25台可以充满房间的巨型计算机。 1、台风：它现在仍旧在RCA实验室服役，它是一台典型的1950年代的大家伙，控制面板就像一堵墙，使用了数千只电子管和几英里长的电线。 超级计算机“台风”(图片来自牛丸街，下同) 2、1958年11月，在伦敦召开的国际计算研讨会上，一台巨型计算机：自动计算引擎，展示了计算机房同样可以成为建筑学上的奇迹。

3、在掌上电脑以及智能电话出现很久之前，我们仍旧使用计算机辅助通信的工作，1967年，英国的kdf9通信计算机被放置在在爱丁堡第一区域计算中心。 4、世界上第一台工程机械辅助设计计算机被安装在克利夫兰，俄亥俄州的路易斯飞行动力实验室，现在改名叫做约翰格伦研究中心。

5、当年，航空设计领域也使用超大型计算机：如电子数据处理704型，1957在兰利研究中心服役。 6、同样，当年在运输领域，也采用超级计算机。这是一台运行于1968年伦敦机场的计算机，博阿迪西亚，用它来处理货物及机票信息。

7、电子计算机的发明来源于战争，所以军方是早期大型计算机最大用户。这是在二战期间，弹道研究实验室中的，电子数字积分器计算机。 8、一些年之后，在1969年，计算机帮助我们进入空间领域。IBM公司的”选择性序列电子计算机“用于计算阿波罗登月的路线。

9、这是一张巨型计算机电影成名照。霍尼韦尔计算机和迈克尔凯恩一起在1967年的一部电影中出演角色：Billion Dollar Brain。 10、除了一些非常重要的工作，计算机也担任一些让人乏味的工作。在约翰格伦研究中心，微分分析计算机帮助技术员准备数据报告。

回顾中国超级计算机研发历程 美国人总是震惊

“天河二号”获全球超级计算机500强三连冠 2014年06月24日09:51:47 新华信息化 新华网华盛顿６月２３日电（记者林小春）国际ＴＯＰ５００组织２３日公布了最新的全球超级计算机５００强排行榜，中国的“天河二号”超级计算机以比第二名美国“泰坦”超级计算机快近一倍的速度，连续第三次获得冠军。 ＴＯＰ５００榜单每半年发布一次。自去年６月以来，“天河二号”就以每秒３３．８６千万亿次的浮点运算速度稳居榜首。除了芯片技术外，这一系统大多由中国自主研发。美国能源部下属橡树岭国家实验室的“泰坦”则连续３次屈居亚军，其浮点运算速度为每秒１７．５９千万亿次。 第三名至第五名分别是美国劳伦斯－利弗莫尔国家实验室的“红杉”、日本理化研究所的“京”和美国阿尔贡国家实验室的“米拉”，这一排名与上一期榜单无异。与上一期相比，前十名的唯一变化是第十名，新入选的是隶属于美国政府的“克雷”ＸＣ３０超级计算机，其运算速度不到“天河二号”的十分之一。 国际ＴＯＰ５００组织在一份声明中说，从榜单看，“超级计算机的整体性能提升速度已降至历史最低点”。例如，在１９９４年至２００８年间，榜单最后一名的计算性能平均每年提升９０％，而过去５年每年只提升了５５％。 从整个榜单来看，美国进入前５００强的超级计算机从上一期的２６５个下降至本期的２３３个，但优势依然明显。第二名中国大陆则从６３个增至７６个。日本和英国分别以３０台并列第三。 超级计算机是国家科研的重要基础工具，在地质、气象、石油勘探等领域的研究中发挥关键作用，也是汽车、航空、化工、制药等行业的重要科研工具。ＴＯＰ５００榜是对全球已安装的超级计算机“排座次”的最知名排行榜。从１９９３年起，由国际

计算机体系结构参考1

第一题选择题 1．SIMD是指（B） A、单指令流单数据流 B、单指令流多数据流 C、多指令流单数据流 D、多指令流多数据流 2．下列那种存储设备不需要编址？D A. 通用寄存器 B. 主存储器 C. 输入输出设备 D. 堆栈 3．按照计算机系统层次结构，算术运算、逻辑运算和移位等指令应属于（A）级机器语言。 A、传统机器语言机器 B、操作系统机器 C、汇编语言机器 D、高级语言机器 4．早期的计算机系统只有定点数据表示，因此硬件结构可以很简单。但是这样的系统有明显的缺点，下面哪一个不是它的缺点：B A．数据表示范围小 B．单个需要的计算时钟周期多 C．编程困难 D．存储单元的利用率很低 7．下面哪个页面替换算法实际上是不能够实现的？D A）随机页面替换算法 B）先进先出替换算法 C）最久没有使用算法 D）最优替换算法

9．指令优化编码方法，就编码的效率来讲，那种方法最好？C A. 固定长度编码 B. 扩展编码法 C. huffman编码法 D. 以上编码都不是 10．在早期冯·诺依曼计算机特征中，机器以（C）为中心。 A、存储器 B、输入输出设备 C、运算器 D、控制器 1.RISC 计算机的指令系统集类型是( C ) 。 A. 堆栈型 B. 累加器型 C. 寄存器—寄存器型 D. 寄存器- 存储器型 2、相联存储器的访问方式是( D )。 A．先进先出顺序访问 B．按地址访问 C．无地址访问 D．按内容访问 3、假设—条指令的执行过程可以分为“取指令”、“分析”和“执行”三段，每—段分别只有—个部件可供使用，并且执行时间分别为Δt、2Δt和3Δt，连续执行n条指令所需要花费的最短时间约为( C )。 （假设“取指令”、“分析”和“执行”可重叠，并假设n足够大） A．6 nΔt B．2 nΔt C．3 nΔt D．nΔt 6、下列计算机不属于RISC计算机的是（C ）。 A．SUN：Ultra SPARC

计算机体系结构测验考试及答案版本

计算机体系结构试题及答案 1、计算机高性能发展受益于：(1)电路技术的发展；(2)计算机体系结构技术的发展。 2、层次结构：计算机系统可以按语言的功能划分为多级层次结构，每一层以不同的语言为特征。第六级：应用语言虚拟机 ->第五级：高级语言虚拟机 ->第四级：汇编语言虚拟机 ->第三级：操作系统虚拟机->第二级：机器语言(传统机器级) ->第一级：微程序机器级。 3、计算机体系结构：程序员所看到的计算机的属性，即概括性结构与功能特性。 4、透明性：在计算机技术中，对本来存在的事物或属性，从某一角度来看又好像不存在的概念称为透明性。 5、Amdahl提出的体系结构是指机器语言级程序员所看见的计算机属性。 6、经典计算机体系结构概念的实质3是计算机系统中软、硬件界面的确定，也就是指令集的设计，该界面之上由软件的功能实现，界面之下由硬件和固件的功能来实现。 7、计算机组织是计算机系统的逻辑实现；计算机实现是计算机系统的物理实现。

8、计算机体系结构、计算机组织、计算机实现的区别和联系？ 答：一种体系结构可以有多种组成，一种组成可以有多种物理实现，体系结构包括对组织与实现的研究。 9、系列机：是指具有相同的体系结构但具有不同组织和实现的一系列不同型号的机器。 10、软件兼容：即同一个软件可以不加修改地运行于系统结构相同的各机器，而且它们所获得的结果一样，差别只在于运行时间的不同。 11、兼容机：不同厂家生产的、具有相同体系结构的计算机。 12、向后兼容是软件兼容的根本特征，也是系列机的根本特征。 13、当今计算机领域市场可划分为：服务器、桌面系统、嵌入式计算三大领域。 14、摩尔定律：集成电路密度大约每两年翻一番。 15、定量分析技术基础（1）性能的评测：（a）响应时间：从事件开始到结束之间的时间；计算机完成某一任务所花费的全部时间。（b）流量：单位时间内所完成的工作量。（c）假定两台计算机 x、y；x比 y 快意思为：对于给定任务，x的响应时间比y少。x的性能是y的几倍是指：响应时间x /响应时间y = n，响应时间与性能成反比。 16、大概率事件优先原则：（基本思想）对于大概率事件（最常见的事

计算机的发展历程与趋势

计算机的发展历程与趋势 注： 参考相关资料《计算机应用基础教程——Windows7 Office 2010》 百度百科，维基百科，网上相关图片，希望赵老师可以认真批阅， 如有错误地方希望指导更正。

一、计算机的发展历程 我 们现在的社会越来越离不开电脑，各种社会人员，总是 时不时的打开电脑。在我们感受计算机带给我们的方便时候，我们也更要了解计算机的历程，下面就一一地介绍我们的先辈如何通过努力将我们带进一个信息数字化的时代。 1946年2月，美国宾夕法尼亚大学诞生了一台被称为ENIAC的庞然大物，从此便开启了计算机时代的大门。从此计算机技术已经成为20世纪发展最快的一门学科，尤其是微型计算机的出现和计算机网络的发展，使计算机的应用渗透到社会的各个领域，有力地推动了信息社会的发展。一直以为，人们都以计算机物理器件的变革作为标志，故而把计算机的发展分为四代。 1.第一代（1946—1958年）;电子管计算机时代

第一代计算机的内部元件使 用的是电子管。世界上第一台电 子数字积分式计算机--埃尼克 （ENIAC）在美国宾夕法尼亚大 学莫尔学院诞生。ENIAC犹如一 个庞然大物，它重达30吨，占地 170平方米，内装18000个电子 管， 但其运算速度比当时最好的机电式计算机快1000倍。1949年，第一台存储程序计算机--EDSAC在剑桥大学投入运行，NIAC和EDSAC均属于第一代电子管计算机。电子管计算机采用磁鼓作存储器。磁鼓是一种高速运转的鼓形圆筒，表面涂有磁性材料，根据每一点的磁化方向来确定该点的信息。第一代计算机由于采用电子管，因而体积大、耗电多、运算速度较低、故障率较高而且价格极贵。本阶段，计算机软件尚处于初始发展期，符号语言已经出现并被使用，主要用于科学计算方面。

超级计算机的现状及展望

超级计算机的现状及展望 摘要：超级计算是解决国家经济建设、社会发展、科学进步、国家安全和国防建设等领域一系列重大挑战性问题的重要手段，是国家综合国力、科技竞争力和信息化建设能力的重要体现，是国家创新体系的重要组成部分，已经成为世界各国特别是大国争夺的战略制高点。在计算机领域，超级计算泛指设计、制造和应用超级计算机的各类活动；在其他行业领域，超级计算通常指在超级计算机上进行的大规模科学和工程计算、海量数据处理和信息服务等应用活动。超级计算机在全球已经取得了举世瞩目的成就，最近的全球超级计算机500强榜单的公布，超级计算机再次成为人们关注的焦点。中国的“天河一号”虽然居于第二位，但是这已经表明中国的计算机事业正在突飞猛进的发展，正在逐渐成为我们综合国力的重要体现。随着超级计算机运算速度的迅猛发展，它也被越来越多的应用在工业、科研和学术等领域。就拥有量和运算速度上我国在世界上处于领先地位，但就超级计算机的应用领域来说我们和发达国家美国、德国等国家还有较大差距。如何利用超级计算机来为我们的工业、科研和学术等领域服务已经成为我们今后研究发展的一个重要课题。 关键词：超级计算机、发展、挑战 1、超级计算机概念 超级计算机是指“当前时代运算速度最快的大容量大型计算机，是计算机领域的珠穆朗玛峰”。类似称谓还有高性能计算机、高效能计算机等。超级计算机的界定具有显著的时代特征，与当时的计算机技术和应用的发展水平紧密相关。以峰值速度指标为例，２０００年前后，具有每秒万亿、十万亿次双精度浮点运算能力是超级计算机的标志；而在２００９年前后，百万亿次以上成为超级计算机的新标志；当前，千万亿次已成为超级计算机的新高峰。 2、超级计算机主要用途 日常经济、科技、国防等领域存在一系列复杂、大型的问题，都建立了越来越精细的物理模型，都需要计算机求解。最复杂、最大型的一类被称为“挑战性问题”，必须依赖同时代中运算速度最快的“超级计算机”。

高性能计算机排行榜简析

TOP100和TOP500 高性能计算机排行榜简析袁国兴研究员 北京应用物理与计算数学研究所

高性能计算（High Performance Computing ） /数值计算/数值模拟实验 利用先进的计算能力去理解和解决复杂问题 理论、实验难以解决 或无法解决的科学问题大型、复杂、甚至不可重复和危险的工程设计和实验安全（如核电）通过计算能评测、预测、预报核电运行和安全情况

“ 高性能计算可以做很多极其困难的事情： 可以提升研究能力、缩短研究进程、节约研究经费 下面举个例子来说明

“ 下面我们以中国高性能计算机性能排行榜TO P100和世界高性能计算机排行榜TO P500，来讨论中国高性能计算的发展

2018年10月中国TOP100前三名计算机神威? 太湖之光超级计算机 1 2 3 4 5 6研制厂商：国家并行计算机工程技术研究中心主要参数 部署单位：国家超级计算无锡中心 部署时间：2016年-2018年 测试性能：93.015 PFLOPS 系统峰值：125.436 PFLOPS 40机柜/160超级节点/40960个计算节点 40960颗SW26010 260C 1.45G H z C P U 单节点32G B内存，全系统1.31P B内存 自主高速网络 国产申威睿智操作系统（Ra ise O S）2.0.5 整机功耗15.371MW

关于神威?太湖之光 真正意义上的自主超级计算机系统 优异的性能功耗比 ?93.0 PFLOPS/15.37MW （33.86PFLOPS/17.8MW） ?Green500 第4名（其他前10系统规模不足太湖之光1/10） 出色的应用表现： 在盐湖城召开的2016全球超算大会上，中科院软件所杨超 团队（中科软+清华+北师大+国家无锡超算中心）联合开发 的“千万核可扩展大气动力学全隐式模拟”，获得国际高性能 计算应用领域最高奖—戈登贝尔奖（2016.11.17）

透过天河一号看超级计算机技术

透过天河一号看超级计算机技术 在去年10月底，长沙举办的中国高性能计算学术年会上，国防科技大学研制的千万亿次超级计算机“天河一号”成为焦点，这是我国国内计算能力最高的超级计算机，而且标志着我国超级计算机的研发能力成功实现了千万亿次计算的跨越。超级计算机不仅体现了一个国家战略性高技术的发展水平，也是与科技创新、国计民生密切相关的重要基础设施。超级计算机的各种应用，实际上会以不同的方式影响到我们每个人，这些似乎遥不可及的超级计算机实际上离我们“非常近”。 1.你应该知道的超级计算机 目前各种超级计算机的高速处理能力基本上都是利用并行体系结构实现的，并行计算(Parallel Computing)已成为提高处理性能的关键技术之一。简单地讲，并行计算技术就是用同时运行的多个处理机或计算机来处理同一任务，从而大幅度提高任务的处理速度、缩短了任务的处理时间。 1.1.超级计算机的五大形态 在超级计算机技术的发展历程中，先后出现过多种超级计算机并行体系结构，主要有如下5种。 ●并行向量处理(Parallel Vector Processing，PVP)系统 并行向量处理结构 采用一定数量的、并行运行的向量处理器和共享式内存(Shared Memory，SM)结构的计算机系统。PVP 系统的SM结构，也就是采用高带宽的交叉开关将各个向量处理器与其共享的内存模块连接。向量处理器(Vector Processor)的一条指令能够同时对多个数据项(向量矩阵)执行运算，而一般的通用CPU属于标量处理器(Scalar Processor)，每次只能对一个数据项进行处理。其代表机型有Cray XMP、Cray YNP、NEC SX2、我国的银河一号和二号等。 ●对称式多处理(Symmetric Multi Processing，SMP)系统

计算机体系结构复习资料

第一章计算机体系机构的基本概念 1.计算机系统结构包括数据表示、机器工作状态、信息保护，不包括主存速度。计算机系统结构应该考虑的内容包括主存容量和编址方式，而主存采用MOS还是TTL器件、主存是采用多体交叉还是单体、主存频宽的确定等都不是计算机系统结构应该考虑的内容。存储器采用单体单字，还是多体交叉并行存取，对系统结构设计是透明的。又如在系列机内推出新机器，不能更改的是原有指令的寻址方式和操作码，而存储芯片的集成度、系统总线的组成、数据通路宽度是可以更改的。系列机是指在一个厂家内生产的具有相同的体系结构，但具有不同的组成和实现的一系列不同型号的机器。 2. 计算机系统中提高并行性的技术途径有时间重叠、资源重复和资源共享三种。在高性能单处理机的发展中，它的实现基础是流水线。 3. 软件和硬件在逻辑功能上是等效的，软件的功能可用硬件或固件完成，但性能、实现的难易程度不同。 4. Amdahl 定律：加快某部件执行速度所获得的系统性能加速比，受限于该部件在系统中所占的重要性。 5. 计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现，计算机实现是计算机组成的物理实现。 6. 计算机系统多级层次结构由高到低，依次是应用语言机器级、高级语言机器级、汇编语言机器级、操作系统机器级、传统机器语言级和微程序机器级。 7. 某计算机系统采用浮点运算部件后，使浮点运算速度提高到原来的20倍，而系统运行某一程序的整体性能提高到原来的5倍，试计算该程序中浮点操作所占的比例。 系统加速比=1 / (1-可改进比例+可改进比例/部件加速比) 5 = 1 / (1-可改进比例+可改进比例/ 20) 可得可改进比例=84.2% 8. 假设某应用程序中有4类操作，通过改进，各操作获得不同的性能提高。具体数据、如下所示。 （1）改进后，各类操作的加速比分别是多少？ （2）各类操作单独改进后，程序获得的加速比分别是多少？ （3）4类操作均改进后，整个程序的加速比是多少？ 多部件改进后的系统加速比

超级计算机在中国及世界的应用

超级计算机在世界及中国的发展 一．超级计算机介绍 超级计算机是一个相对的术语，指的是其在处理能力和计算速度上领先于当时其他所有的计算机。按照美国传统词典的解释，超级计算机是在一定时期内可以得到的一种最大的、运行速度最快的、功能最强的计算机。超级计算机通常是由数百数千甚至更多的处理器（机）组成的、能计算普通PC机和服务器不能完成的大型复杂课题的计算机。自20世纪70年代，世界上第一台超级计算机诞生以来，目前的超级计算机每秒进行上千亿次加法运算已经是很普通的事情。超级计算机之所以成为世界主要国家竞争的高技术热点，是因为从战略角度看，信息技术已经成为21世纪最重要的高技术之一，而作为信息技术前沿的超级计算机，作为一种战略资源，是一个国家综合国力的体现，对国家经济和社会发展具有战略影响。 二．超级计算机发展历史 第一台正式被称为超级计算机的机器——IBM Naval Ordnance Research Calculator 1954年到1963年在哥伦比亚大学被用于计算导弹弹道。这台机器诞生于微处理器问世之前，它的逻辑和算术部分占据了一间房间整整一面墙，它们由安装在电路中的真空管、电阻、电容和晶体整流器构成，具有1微秒的时钟速度，每秒能够执行大约1.5万次计算。 在整个70年代和80年代初期，超级计算机一直使用向量计算技术。这种技术对提高计算机运算速度十分有利，有利于流水线的充分利用，有利于多功能部件的充分利用。但由于时钟周期已接近物理极限，向量计算机的进一步发展已经不太可能。所以，要继续提高性能也就意味着必须投入多个CPU来同时为一个程序工作。在这样的背景下，一个全新的概念被提出来了，那就是大规模并行处理(MPP)，也是从这个时候，英特尔、IBM和SGI开始成为超级计算机领域的新贵。超级计算机也开始走上了真正的商用化道路。 1992年，英特尔推出Paragon超级计算机，它成为历史上第一台突破万亿次浮点计算屏障的超级计算机。紧接着,IBM的SP2、日立公司的SR2201和SGI

计算机体系结构期末复习题与答案

第一题选择题 1． SIMD是指（B） A、单指令流单数据流 B、单指令流多数据流 C、多指令流单数据流 D、多指令流多数据流 2．下列那种存储设备不需要编址？D A. 通用寄存器 B. 主存储器 C. 输入输出设备 D. 堆栈 3．按照计算机系统层次结构，算术运算、逻辑运算和移位等指令应属于（A）级机器语言。 A、传统机器语言机器 B、操作系统机器 C、汇编语言机 器 D、高级语言机器 4．早期的计算机系统只有定点数据表示，因此硬件结构可以很简单。但是这样的系统有明显的缺点，下面哪一个不是它的缺点：B A．数据表示范围小 B．单个需要的计算时钟周期多 C．编程困难 D．存储单元的利用率很低 7．下面哪个页面替换算法实际上是不能够实现的？D A）随机页面替换算法

B）先进先出替换算法 C）最久没有使用算法 D）最优替换算法 9．指令优化编码方法，就编码的效率来讲，那种方法最好？C A. 固定长度编码 B. 扩展编码法 C. huffman编码法 D. 以上编码都不是 10．在早期冯·诺依曼计算机特征中，机器以（C）为中心。 A、存储器 B、输入输出设备 C、运算器 D、控制器 1.RISC 计算机的指令系统集类型是 ( C ) 。 A. 堆栈型 B. 累加器型 C. 寄存器—寄存器型 D. 寄存器 - 存储器型 2、相联存储器的访问方式是( D )。 A．先进先出顺序访问 B．按地址访问 C．无地址访问 D．按内容访问 3、假设—条指令的执行过程可以分为“取指令”、“分析”和“执行”三段，每—段分别只有—个部件可供使用，并且执行时间分别为Δt、2Δt和3Δt，连续执行n条指令所需要花费的最短时间约为( C )。 （假设“取指令”、“分析”和“执行”可重叠，并假设n足够大）

高性能计算机系统导论

高性能计算机系统导论 ---------集群计算系统 （上海同济大学软件学院2003级王上丹：033290 姚雯：033347）摘要： 使用计算机集群系统进行并行计算是一种既经济又高效的解决方法，开发资源丰富，成本低廉。随着应用程序和各种计算对计算机性能要求的不断提高，集群系统将成为有效解决这以问题的可行的途径。本文主要通过对集群系统（设计原理，需要解决的问题，软硬件需求等）的分析和研究来学习体系结构中集群计算系统以及分布式计算的相关知识，并希望通过这样的学习，可以更好的理解和学习体系结构中的相关知识。 关键词： 集群系统；分布式计算；并行计算；体系结构；通信协议；SMP（对称多处理器）负载均衡说明： 本论文主要包括6个部分: 概述集群技术简介集群原理和实现集群技术支持（主要针对负载均衡）集群技术的机遇与挑战结束语 本文的目的是希望读者能对其有一个初步的了解，由于技术研究方面，所涉及的知识确实非常广泛，不可能一一叙述，面面俱到，故选取了其中可扩展性集群技术中的负载均衡的技术进行一个深入分析。 概述（前言） 随着科学技术的不断发展，计算机的性能有着飞速的发展，尤其是最近一、二十年间，计算机的性能几乎以成倍的速度在增长，我们不难发现，这样的发展的速度正由于相关科技（微电子，体系结构，纳米技术等）的限制而渐渐放慢，但是对于计算机性能的提高却从来没有停止过。所以必然面临这样的问题，当通过单处理机的性能提高无法满足不断提高的性能需求，就需要设计一种新型的，高性能的计算机系统。 在过去的几十年里，出现了许多支持高性能计算的计算机系统，最为普通的系统是： 大规模并行处理器（MPP）、对称多处理器（SMP）、Cache一致性的非统一内存访问（CC-NUMA）、分布式系统、集群系统（Cluster）。其中集群系统以其高性价比的突出特点成为一大研究热点。而本文主要讲述了集群系统这个体系系统。 早在20世界60年代，IBM公司就提出了集群计算系统，其基本的思想是将大型计算机连接起来通过合理的交互以共同完成某种并行计算。但是由于当时的各种技术的限制，特别是软硬件的成本较高，这种思想并不能很好的商业化。 直到20世界80年代，随着高性能低价位的微处理器，高速网络的和分布式软硬件工具的发展，集群计算系统才有了发展的物质条件。 最初的集群系统是为了获得高性能的计算系统，一方面不断增加处理器的运算速度以

高性能处理器体系结构

可重构计算专题 读书报告 杨晓晖(BA07011001)yangxhcs@https://www.sodocs.net/doc/b41025727.html, 冯晓静(SA07011002)bangyan@https://www.sodocs.net/doc/b41025727.html, 赵琼(SA07011013)qiongz@https://www.sodocs.net/doc/b41025727.html, 裴建国(SA07011083)ustcowen@https://www.sodocs.net/doc/b41025727.html, 俞华铭(SA07011053)yhm2007@https://www.sodocs.net/doc/b41025727.html, 王仁(SA07011089)wangren@https://www.sodocs.net/doc/b41025727.html, 张志雄(SA07011090)zzxiong@https://www.sodocs.net/doc/b41025727.html, 中国科学技术大学计算机科学技术系 2007年12月

录 1可重构计算概述（杨晓晖） (1) 1.1引言 (1) 1.2可重构计算分类 (2) 1.3可重构计算体系结构 (5) 1.4可重构计算模型 (7) 1.5可重构计算算法 (8) 1.6问题讨论 (9) 本章小结 (10) 参考文献 (10) 2案例分析之一：可重构超级计算（冯晓静，赵琼） (11) 2.1引言 (11) 2.2论文工作 (11) 2.3问题及讨论 (12) 2.4对论文的思考 (14) 本章小结 (15) 参考文献 (15) 3案例分析之二：可重构计算在数据挖掘中的应用（裴建国，俞华铭） (16) 3.1引言 (16) 3.2算法实例 (16) 3.3主要贡献 (17) 3.4问题讨论 (20) 本章小结 (22) 参考文献 (22) 4案例分析之三：可重构计算在分子动力学仿真中的应用（王仁，张志雄）.23 4.1引言 (23) 4.2仿真算法分析 (23) 4.3与相关工作的比较 (24) 4.4问题讨论及解决 (25) 4.5对论文的思考 (25) 本章小结 (26) 参考文献 (26) 5结论与展望（杨晓晖） (27)

计算机系统结构(第2版)郑伟明汤志忠课后习题答案以及例题收录

计算机系统结构(第2版)郑伟明汤志忠课后习题答案以及例题收 录 片上地址模块内部体号 模式5: 4高阶交叉4低阶交叉 16存储器模块每4个形成一个大模块:片上地址模块内部体号 模式6: 4并行访问4低阶交叉31 0模块片上地址模块号输出选择(1)所有这些存储器可以并行工作，因此带宽可以增加一般来说，并行内存访问的优点是简单且易于实现，缺点是访问冲突大。 高阶交错存储器具有扩展方便、存取效率低的优点。低阶交叉存取存储器可以分时方式提高速度 46 ，但扩展不方便。 (2)各种存储器的带宽与其工作频率有关。不考虑冲突，如果有足够多的独立控制电路和寄存器，那么它们的带宽是相同的。(3)存储器原理图 注意，并行存取存储器非常类似于低阶交叉存取存储器，除了并行存取存储器使用存储器模块号(存储体号)来选择输出结果，而低阶交叉存取存储器用于为存储器模块(存储体)生成芯片选择信号，这通过流水线操作提高了存取速度。 3.14 在页面虚拟内存中，一个程序由从P1到P5的5个虚拟页面组成程

序执行过程中依次访问的页面如下: P2、P3、P2、P1、P5、P2、P4、P5、P3、P2、P5、P2 假设系统为该程序的主存储器分配三个页面，主存储器的三个页面分别由先进先出、先进先出和优化调度 (1)绘制主内存页面条目、替换和命中的表(2)计算三种页面替换算法的页面命中率 3.15 (1)当分配的主内存页的数量大于或等于5时，可以达到最高的页命中率，除了第一次调入未命中，所有访问都在 47 : 7实际命中之后，因此可以达到的最高页命中率是 H？7？0.5833 12(2)由于当页面数大于或等于5时肯定可以达到最高的命中率，让我们看看当页面数小于5时是否可以达到命中率:当由分配的主存储器页面数等于4时，调度过程如下: 48 9 LFU算法4调用中4 5 4 5 3 4 5* 3 2调用中4 5 3 2命中1 5 3* 2调用中1 5 3 2*命中1 5 3* 2命中1 5* 3 2命中1 5 3 2命中1 5 3* 2命中1 5 3 * 2命中1 5 3 2命中1 5 3 2命中1 5 3 2命中7调用中此时也能达到最高命中率。当 分配的主存页面等于3时，调度过程如下: 49

高性能计算系统设计方案

高性能计算系统 方案设计 第1章需求分析 1.1 高性能计算的和大规模数据处理的应用 高性能计算作为一种先进的科研手段，在国的应用发展很快，得到了普遍的重视，近年来国家投入逐年加大。 高性能计算的应用条件已经成熟，表现在： ◆价格相对低廉的高性能机群系统为高性能计算应用提供了物质基础； ◆高性能计算应用的技术门槛逐渐降低； ◆国家鼓励相关单位做高性能计算的研究，相关投入不断加大； ◆很多高校的科研人员使用高性能计算手段，取得了很好的成果。 1.1.1 计算机架构 由于各学科高性能计算应用软件种类繁多，各种软件的应用特点也各不相同，对计算资源的需求存在差别，方案的设计需要充分考虑到实际应用的特点。 作为高性能计算基础设施的核心，现代高性能计算机的发展从20世纪70年代的向量计算机开始，也已经有了30年的发展历程。先后出现了向量机、多处理器并行向量机、MPP 大规模并行处理机、SMP对称多处理机、DSM分布式共享存储计算机、Constellation星群系统、Cluster集群系统、混和系统等多种主体的架构，并分别在不同的时期占据着应用的主流。 开放的Cluster集群系统具有较多的优势，已经占据了目前高性能计算机的主流位置，在TOP500中占据了约80%的份额，在中小规模的高性能计算系统中更是占据统治地位。

1.1.2 软件的并行特点 按照应用程序是否为并行程序，可以分为如下几类： ◆串行程序 程序运行中只有一个进程或线程。串行程序不能利用高性能计算机多个处理器的并行特点，但可以同时运行程序的多个任务或算例。 ◆共享存并行程序 程序运行中可以有多个进程或多个线程，可以使用多个处理器进行并行计算。但这种并行程序不能在分布式存的机群系统上运行。 ◆消息传递并行程序 消息传递式并行程序可以在所有架构的计算机上运行，可以同时使用数目很多的处理器，以加速程序的运行。 在高性能集群系统上，各种程序都可以运行，可以使用集群系统的一个CPU，一个节点或多个节点。

中国高性能计算十三五发展规划与进展

中国高性能计算 十三五发展规划与进展 钱德沛 北京航空航天大学/中山大学 GTC China 2016 2016年9月13日

汇报提纲 ?我国高性能计算发展现状 ?十三五“高性能计算”重点研发专项?2016年项目启动情况 ?专项2017年指南

?我国高性能计算发展现状

国家863计划的持续努力?2002-2005年：高性能计算机及核心软件（863重大专项）–强调资源共享与协同工作 –以网格支持多领域应用 –成功研发10万亿次量级计算机和中国国家网格实验床 ?2006-2010年：高效能计算机与服务环境（863重大项目）–强调除了性能之外计算机的其它指标：开发的效率、程序可移植性、系统的鲁棒性等–强调机器、环境、应用三位一体的发展 –强调环境的服务特征 –成功研发千万亿次量级计算机，建立了国家高性能计算服务环境 ?2010-2016年：高效能计算机及应用服务环境（863重大项目）–强调环境新的运行模式和机制，探索建立计算服务业的途径 –发展应用社区，更好地支持应用 –研制世界领先的计算系统：天河二号、神威?太湖之光

面临的挑战 –能否持续过去20年的发展速度？ ?TOP500显示，近年来发展速度在下降，如何从我国应用需求出发，制定合理的发展目标？ –如何解决E级计算机所面临的重大技术挑战问题？ ?功耗 ?应用性能 ?可编程性 ?可靠性 –如何驾驭大规模并行性，开发数百万乃至数千万核水平的大规模并行应用？ –国家高性能计算环境如何与时俱进，在新的技术条件下提供更高质量、更好体验的服务？

十三五“高性能计算”重点研发专项

高性能体系结构

高性能计算的概念 高性能计算（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机能力来处理大型计算 问题。 基本原理 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。 高性能计算机历史回顾 最早的电子计算机就是为了能够进行大量繁琐的科学计算而产生的。从1960年开始，计算机技术逐渐成熟，在各种商业领域慢慢地开始采用电子领域，而且应用范围越来越广泛，逐渐出现了针对各种不同商业用途的计算机，被称 为“通用计算机”，具有性能和功能上的优势的一类计算机被称为“高性能计算机”，在当时主要用于科学计算。 20世纪70年代出现的向量计算机可以看作是第一代的高性能计算机。 20世纪80年代初期，随着VLSI技术和微处理技术的发展，向量机一统天下的格局逐渐被打破。通过多个廉价的微处理器构建的并行化超级计算机首先 从成本上具有了无可比拟的优势。 20世纪90年代初期，大规模并行处理（MPP）系统成为了高性能计算机的发展主流。MPP主要通由多个微处理器通过高速互联网络构成，每个处理器之 间通过消息传递方式进行通讯和协调。 20世纪90年代中后期，CC-NUMA结构问世，即分布式共享内存。每个处理器节点都可以访问到所有其他节点的内存，但访问远程内存需要的延迟相对较大。CC-NUMA本身没有在提高性能上进行较大的创新，而对于科学计算任务，CC-NUMA是否优于MPP仍存在争议。 在发展CC-NUMA的同时，集群系统（cluster）也迅速发展起来，类似MPP 结构，集群系统是由多个微处理器构成的计算机节点，通过高速网络互联而成，节点一般是可以单独运行的商品化计算机。由于规模经济成本低的原因，集群 系统更具有性能/价格比优势

计算机系统结构重点

第一章计算机系统结构的基本概念 计算机系统结构含义(p10)，透明性(p12) 计算机系统结构：指机器语言程序的设计者或是编译程序设计者所看到的计算机系统的概念性结构与功能特性。透明性：一种本来存在，有差异的事物和属性，从某种角度上看又好像不存在的现象，被称为是“透明性”。例如，高级程序员看不到各种不同类型机器的差异性，就是一个明显的例证。 计算机系统结构、组成、实现之间关系(p13) 1.计算机系统结构-机器语言级的程序员所了解的计算机的属性，即外特性。 2.计算机组成-计算机系统结构的逻辑实现。 3.计算机的实现-指其计算机组成的物理实现。 分类（FLYNN）(p17)：单指令流、单数据流( SISD )结构；单指令流、多数据流(SIMD )结构；多指令流、单数据流( MISD )结构；多指令流、多数据流( MIMD )结构 计算机系统设计的原则（三条）(p24)，阿姆达尔（Amdahl）定律 (一)加速那些使用频率高的部件——提高整个计算机性能 1 (二)Amdahl定律：Sp = Te / T0 = ————————- （1 - fe）+ fe / re fe：可改进部分在原系统计算时间中所占的比例，总是小于1； re：性能提高的倍数（T部件改进前/ T部件改进后），总是大于1。 (三)程序访问局部性原理：程序往往重复使用它刚刚使用过的数据和指令。 计算机系统的层次结构(p9) 虚拟机=应用软件+系统软件；应用软件=应用语言级（6）；系统软件=高级语言级（5）+汇编语言级（4）+操作系统级（3）；物理机=硬件+固件；硬件=传统机器级（2）；固件=微程序机器级（1）+电子线路（0） 性能评价结果数据的处理方法(p48)：算术平均值，几何平均值，调和平均值，加权平均值 第二章指令系统 软件兼容性要求(p4)：软件向后兼容和向上兼容。 数据类型(p9)和数据表示(p11)：数据类型：指一组数据值的集合，还定义了可作用于这个集合上的操作集。 数据表示：指在计算机中能由硬件直接辩认，指令系统可以直接调用的数据类型。数据表示实质上是一个软、硬件取舍的问题。 自定义数据表示定义、分类及优,缺点(p19) 自定义数据表示：由数据本身来表明数据类型，使计算机内的数据具有自定义能力。分类：带标志符的数据表示+数据描述符带标志符的数据表示：描述简单数据，标志符是和每个数据值相连，存在同一存贮单元内。 优点：（1）简化了指令系统。（2）容易检出程序编制中的错误。（3）简化了编译程序。（4）支持数据库系统。（5）简化了程序设计。（6）便于软件测试，支持应用软件开发。 缺点：（1）数据字长增加。（2）降低了指令的微观执行速度。（3）与其他计算机的兼容性差，硬件复杂。 数据描述符：用来描述复杂和多维数据，如向量、数组、记录等，描述符专用来描述所要访问数据的特性，它和数据字分开存储，机器经描述符形成访问每个元素的地址及其他信息，增加一级以上寻址，（描述符或数据字）而数据字本身又是带标志符数据表示。 指令系统编码方法(p29)：（1）正交法（2）整体法（3）混合法 程序定位方式(p35-36)： 直接定位方式：直接使用实际主存物理地址来编写或编译程序，目前大多不用这种方式。 静态定位方式：专门用装入程序来完成，一旦装入主存就不能再变动了，这种方式实现简单，不需要增加硬件设备，但不够灵活，主存利用率不高，多个用户不能共享主存。 动态定位方式：利用类似变址寻址方法，由硬件支持完成。只把主存的起始地址装入该程序对应的基址寄存器中，指令的地址不需全部修改。 优点：在程序执行时由硬件形成主存物理地址，主存利用率高，多个用户可以共享同一个程序段，支持虚拟存储器实现。缺点：需要硬件支持，实现的算法比较复杂。 两种指令系统风格，特点（RISC、CISC）(p7) (一)复杂指令集计算机（CISC）