淺談計算機(jī)并行計算的發(fā)展與展望

1、淺談計算機(jī)并行計算的發(fā)展與展望摘要當(dāng)世界上第一臺電子數(shù)字式計算機(jī)ENIAC于1946年在美國賓夕法尼亞大學(xué)誕生時，人類的一個新的信息紀(jì)元便來臨了，但人類真正地踏進(jìn)信息大爆炸時代卻得從1971年美國硅谷誕生的第一臺微處理機(jī)說起，此時發(fā)展出的計算機(jī)并行技術(shù)大大提高了計算機(jī)處理數(shù)據(jù)的效率，至此微型計算機(jī)在社會上擴(kuò)散的速度如同宇宙中小行星爆炸一般，幾乎所有領(lǐng)域都能見到計算機(jī)的身影，從此計算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域便從科學(xué)計算逐步走向了家庭。今天，我們就來談?wù)動嬎銠C(jī)并行技術(shù)的發(fā)展歷程與未來展望。關(guān)鍵詞計算機(jī)；并行計算；發(fā)展歷程對于計算機(jī)而言，它的大腦CPU（處理機(jī)）的運(yùn)行速度，它的外部設(shè)備的運(yùn)行速度，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶挾龋?/p>

2、等等等等都制約著計算機(jī)的工作速度，好比人腦與外部設(shè)備，外部設(shè)備與CPUTB是信息處理的載體。但其處理時間的量級卻相差很大，數(shù)以倍計，從三種活動時間量級上的不匹配，人們察覺到早期的計算機(jī)就像個不上進(jìn)的優(yōu)秀木匠，他們干起活來毫不含糊手腳靈敏，但不主動，一個工程干完了就休息，不會主動找下一個，必須等待反應(yīng)遲鈍的中介機(jī)構(gòu)的命令才會繼續(xù)下一個工程。這便孕育了最初的并行思想。并行處理，并行性與并行處理技術(shù)我們可以了解到，所謂并行處理，是指在數(shù)據(jù)計算處理、信息加工或是人工智能求解過程中同時進(jìn)行某些運(yùn)算或操作以求得大幅度提升計算機(jī)系統(tǒng)求解問題的效率；所謂并行性，包括指多個事件在同一時刻發(fā)生（同時性）和多個事件

3、在同一時間段內(nèi)間隔發(fā)生（并發(fā)性）兩個概念；而所謂并行處理技術(shù)，現(xiàn)階段主要有時間并行、空間并行、時間+空間并行三大技術(shù)1。并行處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)隨著并行這一概念的提出，相對應(yīng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也隨之誕生了，現(xiàn)階段到不遠(yuǎn)的將來，并行處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要有流水線方式、多功能部件、多處理機(jī)方式、陣列方式、數(shù)據(jù)流方式和網(wǎng)絡(luò)分布式。在這里最具典型性的便是在時間上并行的流水線方式和空間上并行的多處理機(jī)方式。流水線技術(shù)談到流水線技術(shù)，最先是受到工業(yè)流水線制造思想的啟發(fā)。在工業(yè)制造中采用流水線可以提高單位時間的生產(chǎn)量；于是人們便思考，將這一技術(shù)運(yùn)用到CPU上是否也能大幅度提高計算機(jī)運(yùn)行效率呢？果不其然，流水線技術(shù)的誕生取得了

4、巨大的成功，在CPU中采用流水線設(shè)計大幅度提高了CPU的頻率，把許多指令重復(fù)的過程分解為多個小功能段，再交付給各段專用的功能塊去重疊執(zhí)行（時間重疊）。一條計算機(jī)指令按照固有順序途經(jīng)所有功能段，這條指令便執(zhí)行完畢并獲得結(jié)果。當(dāng)本條指令在本段處理完畢而流入下段時，后序指令便可流入本段，無須等待前條指令整個地執(zhí)行完畢。好似香檳酒杯塔，只要你源源不斷地傾倒香檳酒，同層的酒杯并不需要等附近的酒杯裝滿后才能得到香檳，同層酒杯是被并行地裝入酒。因此，在一條流水線上可以同時處理多條指令，設(shè)各段的執(zhí)行時間均為一個時鐘周期，則經(jīng)過幾個周期短暫的處理階段之后，便可以輸出一個結(jié)果，從而把指令執(zhí)行時間壓縮到段執(zhí)行時間，

5、這就是并行算法中的時間并行，在同一時間啟動多個操作，大大提高計算效率2。多處理機(jī)方式流水線方式出現(xiàn)之后又出現(xiàn)了多功能部件和多處理機(jī)方式。多處理機(jī)的基本思想是將一個問題分為若干部分，交付給用多臺處理機(jī)協(xié)同處理。比如一疊一千張的傳單，甲分發(fā)這些傳單需要一整天，于是為了快速達(dá)成老板的要求，工作時他叫來了他的好朋友乙丙丁三人，四人同時分發(fā)這些傳單，最終只需要六小時就完成了工作，這就是并行技術(shù)中的空間并行，將一個大問題分解為多個相同的子問題來加快問題解決速度，由此把多臺處理器通過網(wǎng)絡(luò)連接在一起，達(dá)到同時計算同一個任務(wù)的不同部分或單個處理機(jī)無法解決的大型冏題，由此便產(chǎn)生了多處理機(jī)方式。而后在并行處理機(jī)上發(fā)

6、展出的分布式云計算技術(shù)是繼20世紀(jì)80年代計算機(jī)到客戶端-服務(wù)器的大轉(zhuǎn)變之后的一大巨變。并行處理技術(shù)對云計算的發(fā)展有著有巨大的功勞。并行處理、云計算，分布式的聯(lián)系談到分布式與云計算與并行處理的聯(lián)系，我們首先需要知道什么是云計算與分布式，那么什么是云計算呢？這里的“云”是取“如云彩般彌漫、無處不在”之意，而云計算簡單地解釋便是“無處不在的計算”，作為并行技術(shù)的變種，云計算通過多處理機(jī)共享資源協(xié)同計算，大大提高了數(shù)據(jù)的交互性與計算效率；而什么是分布式呢？計算機(jī)操作系統(tǒng)方向的科學(xué)家AndrewS.Tanenbaum(AST)是這樣描述的“分布式系統(tǒng)運(yùn)行在不具有共享內(nèi)存的多臺機(jī)器上，但在用戶的眼里卻是

7、一臺計算機(jī)”，由此看來分布式與云計算都是在并行的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，但具體定義與實(shí)現(xiàn)方式并不是完全相同的。結(jié)束語對于并行計算的發(fā)展，我們應(yīng)該知道并行計算實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)是硬件，因此硬件的發(fā)展與計算機(jī)并行計算的發(fā)展是密不可分的。每一次硬件的革新推進(jìn)了計算能力的大幅增長。現(xiàn)今，在單臺計算機(jī)對于整體計算性能的提升變得困難時，就發(fā)展出了如分布式計算，云計算的這些并行計算的新型變種。1989年，丹尼希利斯做了一個大膽的預(yù)測，他說，到1995年，世界上并行處理計算機(jī)的使用將會超過傳統(tǒng)計算機(jī)。這位美國科學(xué)家對其預(yù)測非常有信心，以至于將他的公司的前途全都寄托在一臺取名叫“連接機(jī)器”的并行處理計算機(jī)上。連接機(jī)器是由彼此連接的數(shù)萬個微處理器構(gòu)成的并行處理計算機(jī)，它能將大量運(yùn)算分解成若干工作量比較小的部分，各部分分給不同的處理機(jī)同時進(jìn)行計算。對此我認(rèn)為，從單臺計算到分布式計算，云計算，而后隨著硬件的不斷發(fā)展，并行計算的發(fā)展還存在大量的