大三體系結(jié)構(gòu)課程簡介

歡迎《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》課程簡介

主講：何水兵Tel:E-mail:10一月20242一、教材與參考書目教材

《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》，高輝等，武大出版社，2006年參考書目

《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》（第二版），鄭緯民，清華出版社，2001年

《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》，陸鑫達(dá)，高等教育出版社，1996年

《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》（第三版），李學(xué)干，西安電子科大出版社，2000年

《并行處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》，屈玉貴，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，1999年

《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)輔導(dǎo)及習(xí)題解答》，高輝等，武漢大學(xué)出版社，2006年10一月20243鄭緯民:1946年生,浙江寧波人.清華大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師、高性能計(jì)算機(jī)研究所所長10一月2024410一月20245陸鑫達(dá)，1938年9月生，上海市人。上海交通大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系教授、博士生導(dǎo)師、高性能計(jì)算研究室主任10一月20246李學(xué)干:教授,歐亞學(xué)院信息工程學(xué)院副院長。原西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教研室主任，碩士生導(dǎo)師。10一月20247屈玉貴，女，1945年生于山東聊城。博士生導(dǎo)師，現(xiàn)任中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)信息科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心主任。10一月20248其它參考書參考書目《可擴(kuò)展并行計(jì)算技術(shù)、結(jié)構(gòu)與編程》（ScalableParallelComputingTechnology,Architecture,Programming），黃鎧著，陸鑫達(dá)譯，機(jī)械工業(yè)出版社，2000《計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)-量化研究方法》（ComputerArchitecture:AQuantitativeApproach）(ThirdEdition),JohnL.Hennessy&DavidA.Patterson,機(jī)械工業(yè)出版社，2002《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：一種定量的方法》（第二版），JohnL.Hennessy&DavidA.Patterson著，鄭緯民譯，清華大學(xué)出版社，200210一月20249二、教學(xué)目的與教學(xué)大綱計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是一門從組織和結(jié)構(gòu)角度學(xué)習(xí)、領(lǐng)會(huì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的課程。通過本課程的學(xué)習(xí)，要求能進(jìn)一步樹立和加深對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體概念，熟悉有關(guān)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念、原理，了解常用的基本結(jié)構(gòu)，領(lǐng)會(huì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思想和方法，提高分析和解決問題的能力。10一月202410教學(xué)大綱（一）掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成和實(shí)現(xiàn)的定義，重點(diǎn)掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類、性能評(píng)價(jià)。了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展，熟悉計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)。

掌握浮點(diǎn)數(shù)據(jù)表示和高級(jí)數(shù)據(jù)表示，重點(diǎn)掌握指令格式的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，了解指令系統(tǒng)的性能分析和設(shè)計(jì)風(fēng)格。WuhanUniversity10一月202411教學(xué)大綱（二）了解指令的三種解釋方式，掌握標(biāo)量流水中的障礙及控制方法，重點(diǎn)掌握標(biāo)量流水工作原理、性能分析和非線性流水線的調(diào)度技術(shù)，熟悉超標(biāo)量與超流水技術(shù)和向量流水處理技術(shù)。了解并行性的基本概念、開發(fā)途徑，掌握SIMD計(jì)算機(jī)的典型結(jié)構(gòu)和并行算法，重點(diǎn)掌握SIMD計(jì)算機(jī)的互連網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，熟悉多處理機(jī)的結(jié)構(gòu)、并行性開發(fā)以及操作系統(tǒng)。

10一月202412三、學(xué)習(xí)基礎(chǔ)與發(fā)展方向硬件基礎(chǔ)：計(jì)算機(jī)組成原理、數(shù)字邏輯、大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)軟件基礎(chǔ)：高級(jí)程序語言設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)發(fā)展方向：高等計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、分布式并行處理（結(jié)構(gòu)與算法）10一月202413計(jì)算機(jī)主要硬件課程WuhanUniversity10一月202414四、學(xué)時(shí)分配（36學(xué)時(shí)，2學(xué)分）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)：4數(shù)據(jù)表示與指令系統(tǒng)性分析：8重疊、流水和向量處理機(jī)：12并行處理技術(shù)：1210一月202415五、考核方式與參考資源筆試(閉卷)成績?cè)u(píng)定：70%期末考試（閉卷）20%平時(shí)成績（作業(yè)）10%考勤10一月202416參考資源（一）國外資源鏈接：體系結(jié)構(gòu)相關(guān)專業(yè)鏈接

,Univ.ofWisconsin,Univ.ofCalifornia,Berkeley計(jì)算機(jī)科學(xué)組織機(jī)構(gòu)鏈接

,ACM,IEEE,MICRO,計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)技術(shù)委員會(huì)世界計(jì)算機(jī)硬件廠商鏈接

10一月202417參考資源（二）國外資源鏈接其他相關(guān)資源

國內(nèi)資源鏈接，聯(lián)想，華碩，集成網(wǎng)

10一月202418參考資源（三）頂級(jí)國際學(xué)術(shù)會(huì)議頂級(jí)國際學(xué)術(shù)期刊10一月202419六、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展自1946年以來，近60年計(jì)算機(jī)發(fā)展驚人性能：（加法）速度提高了5個(gè)數(shù)量級(jí)價(jià)格：今天$1000的機(jī)器相當(dāng)于60年代中$1000,000的機(jī)器。這里同性能計(jì)算機(jī)的價(jià)格比，改善了三個(gè)數(shù)量級(jí)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展主要?jiǎng)恿ζ骷陌l(fā)展和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)10一月20242010一月202421ENIAC-技術(shù)細(xì)節(jié)Decimal(notbinary)十進(jìn)制（沒有二進(jìn)制）20accumulatorsof10digits十位數(shù)字的累加器有20個(gè)Programmedmanuallybyswitches通過開關(guān)人工編程18,000vacuumtubes18,000個(gè)晶體管15,000squarefeet15,000平方英尺140KWpowerconsumption140KW電力消耗5,000additionspersecond每秒可執(zhí)行5000次加法運(yùn)算WuhanUniversity10一月20242210一月2024231975年10一月2024241976年10一月20242510一月20242610一月20242710一月20242810一月202429計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能的提高10一月2024301980之前，計(jì)算機(jī)性能每年提高25%-30%20世紀(jì)80年代初，出現(xiàn)微處理機(jī)依靠集成電路技術(shù)，性能每年提高35%20世紀(jì)80年中期，出現(xiàn)RISC技術(shù)、高級(jí)語言和操作系統(tǒng)等，性能每年提高50%1995年，先進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)微處理器性能的貢獻(xiàn)是單純技術(shù)進(jìn)步的5倍近幾年及將來計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能按摩爾定理發(fā)展，性能每年提高近60%性能提高的幾個(gè)階段10一月202431七、三個(gè)問題四類新型半算機(jī)系統(tǒng)摩爾定律的終結(jié)超級(jí)計(jì)算機(jī)10一月2024321、四類新型半算機(jī)系統(tǒng)背景：我們的時(shí)代是一個(gè)萬國互網(wǎng)、辯證綜合、跨域一體、百科整合的時(shí)代，我們的時(shí)代更是一個(gè)社會(huì)、科學(xué)、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、教育高速發(fā)展的時(shí)代應(yīng)對(duì)：要有宏觀的、戰(zhàn)略性的、跨域性的且宏微結(jié)合的具體研究；要有交緣性、橫斷性、綜合性的具體創(chuàng)新開拓10一月202433戈登·摩爾1965年提出：芯片上可以容納的晶體管數(shù)量每隔18個(gè)月會(huì)翻一番，相應(yīng)的計(jì)算能力也隨之翻番美國NSF向美國政府申請(qǐng)了2000萬美元的經(jīng)費(fèi)用于2009年的財(cái)政規(guī)劃，計(jì)劃啟動(dòng)一個(gè)超越摩爾定律的科學(xué)與工程（SEBML）項(xiàng)目

2、摩爾定律10一月202434摩爾定律終結(jié)的原因高功耗產(chǎn)生高溫度，提高了封裝成本和測(cè)試成本，對(duì)摩爾定律的成本按比例減低方面，產(chǎn)生終結(jié)效應(yīng)。芯片及散熱裝置的高功耗，對(duì)國民經(jīng)濟(jì)的能源安全提出了新的要求，這反過來對(duì)摩爾定律產(chǎn)生終結(jié)效應(yīng)。高功耗產(chǎn)生很多副面影響，而為了保證摩爾定律，就要采用低功耗設(shè)計(jì)，這又反過來加大設(shè)計(jì)復(fù)雜度，對(duì)摩爾定律產(chǎn)生終結(jié)效應(yīng)。10一月202435提高主頻的空間已經(jīng)很小微處理器主頻已達(dá)6GHz，門延遲小于0.01ns信號(hào)延時(shí)：30萬公里/秒/2＝1.5mm/0.01nsPentium芯片面積500mm2，即23mm23mm當(dāng)半導(dǎo)體工藝進(jìn)入0.18μm以后，線延時(shí)已經(jīng)超過了門延遲提高微處理器速度的途徑之一依靠更加精密的布線技術(shù)---還有少量余地開發(fā)新的器件，例如生物芯片和光電子器件等未來微處理器的發(fā)展WuhanUniversity10一月202436微處理器發(fā)展趨勢(shì)10一月2024371個(gè)group可以有任意條指令，同一group內(nèi)的指令可以同時(shí)執(zhí)行共9個(gè)功能部件：2個(gè)整數(shù)部件i、

2個(gè)浮點(diǎn)部件f、

2個(gè)訪存部件m、

3個(gè)分支部件b。

安騰(Itanium)處理機(jī)10一月2024383、超級(jí)計(jì)算機(jī)與TOP500

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的“3T目標(biāo)”：每秒1萬億次的浮點(diǎn)計(jì)算能力(1TFLOPS)主存應(yīng)達(dá)到240字節(jié)的存儲(chǔ)容量(1TB主存)每秒達(dá)到240字節(jié)/秒I/O吞吐率(1TB/S)10一月2024392002年11月第20屆top500排行榜第一NECEarth-Simulator5120顆處理器、35.86TFlops連續(xù)五屆居榜首10一月202440Earth-simulator10一月20244110一月2024422004年11月第24屆top500排行榜第一IBMBlueGene13萬多顆處理器、280.6TFlops連續(xù)多屆居榜首10一月202443IBMBlueGene/L10一月202444IBMBlueGene/L10一月202445IBMBlueGene/L10一月202446藍(lán)色基因/L系統(tǒng)美國能源部（DOE）勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室(LawrenceLivermoreNationalLaboratoryLLNL)Linpack基準(zhǔn)測(cè)試性能Rmax為280.6Tflops，2007年已達(dá)到478.2Tflops系統(tǒng)采用了13-21萬顆PowerPC440700MHz處理器，運(yùn)行CNK/Linux系統(tǒng)連續(xù)多屆獲得第一。10一月202447TOP500排行榜前十名(2007.11)序號(hào)廠商型號(hào)位置處理器數(shù)性能(Tflops)1IBMBlueGene/L美國212992478.22IBMBlueGene/P德國65536167.33SGIICE8200美國14336126.94HPEKA印度14240117.95HPCP3000瑞典13728102.86CaryRedStorm美國26569102.27CaryJaguar美國23016101.78IBMBGW美國4096091.299CaryFranklin美國1932085.36810IBMNewYorkBlue美國3686482.16110一月202448國產(chǎn)高性能計(jì)算機(jī)簡介HPC或稱超級(jí)計(jì)算機(jī)是計(jì)算機(jī)中功能最強(qiáng)、運(yùn)算速度最快、存儲(chǔ)容量最大和價(jià)格最貴的一類計(jì)算機(jī)1956年周總理親自領(lǐng)導(dǎo)了《科學(xué)技術(shù)發(fā)展十二年規(guī)劃》銀河、神威、浪潮、聯(lián)想、曙光等系列計(jì)算機(jī)10一月2024491800(2002年排TOP500第43位)10一月202450聯(lián)想深騰6800(2003年排TOP500第14位)10一月2024512004年6月第23屆top500排行榜曙光4000A排第十是繼美、日之后第三個(gè)跨越了10億次計(jì)算機(jī)的國家10一月202452曙光4000系列計(jì)算機(jī)組成具有十萬億次浮點(diǎn)運(yùn)算能力面向網(wǎng)格的曙光4000A具有百萬億字節(jié)海量數(shù)據(jù)處理能力面向網(wǎng)絡(luò)安全的曙光4000L具有五千億次通用運(yùn)算能力和四萬億次專用處理能力面向生物信息處理的曙光4000H具有異構(gòu)特性面向SAR實(shí)時(shí)成像處理的曙光4000I10一月202453曙光4000A系統(tǒng)規(guī)模達(dá)到640個(gè)結(jié)點(diǎn)，每個(gè)結(jié)點(diǎn)為4CPU的SMP系統(tǒng)(共計(jì)2560個(gè)CPU)，采用AMD2.2GHzOpteron64位處理器11.264TFLOPS峰值運(yùn)算速度存儲(chǔ)容量達(dá)到42TB除CPU和Linux平臺(tái)系統(tǒng)外，其他部件都使用了自己的技術(shù)

10一月202454曙光4000A機(jī)房10一月202455曙光4000A顯示屏10一月202456曙光4000A機(jī)柜一角10一月202457中國高性能計(jì)算機(jī)TOP100排行榜

(2007.11)前15名序號(hào)廠商

型號(hào)

地點(diǎn)時(shí)間處理器Linpack值1IBMHS21Cluster勝利油田2007409618.6/38.2242IBMpSeries655國家氣象局2005320010.31/21.763曙光4000A上海超計(jì)200425608.061/11.2644SGIAltix4700氣象衛(wèi)星200712807.127/8.1925-10HPBL-20P游戲公司200719506.976/12.4811曙光4000L河北省200710246.243/10.89512曙光OpteronDualCore

政府部門200719204.992/9.98413HPPA8900神州數(shù)碼200720484.966/9.01114HPBL20p大慶油田200613124.694/8.39715HPPA8800神州數(shù)碼200720484.424/8.19210一月202458曙光5000的技術(shù)特點(diǎn)在世界上首次提出既能應(yīng)對(duì)千萬億次科學(xué)計(jì)算又能十分有效地支持能力計(jì)算（utilitycomputing）、應(yīng)用面廣的HPP體系結(jié)構(gòu)（HyperParallelProcessing）