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高性能计算机体系结构技术分析

摘要：本文简单介绍了高性能计算机在科技、工业等众多领域的广泛应用，结合TOP500的必威体育精装版排名，简单概括了当今比拟流行的几大体系结构技术，初步了解HPC的开展状况，尝试性地说明高性能计算机的开展方向。

关键词：高性能计算机；体系结构；ISC；TOP500；SMP；MPP；cluster

一、研究背景

1.1根本概念

高性能计算机，〔HPC：HighPerformanceComputer〕传统上指的是运行速度非常快的计算机，等同于超级计算机，致力于专业用户进行大规模科学和工程计算，追求的性能指标是浮点计算能力。随着对于高性能计算的应用需求由CPU运算密集型的科学和工程计算拓展到I／O处理密集型的商业事务处理，高性能计算机从单纯追求CPU运算能力变为追求包括I／O处理能力在内的综合性能指标，而且随着用户群体的扩大、对价格的日趋敏感以及PC效劳器和互连网络等技术的成熟，高性能计算机已经倾向走产业化开展道路，采用开放的软硬件技术。当前，以机群为载体的高性能计算机已广泛应用于教育、游戏、气象、石油、航空航天、金融、生物、制造、信息建设等各个领域。

1.2开展历程

〔1〕专用时代

包括向量机，MPP系统，SGINUMA系统，SUN大型SMP系统，也包括我国的神威，银河，曙光1000等。之所以称为“专用”，并不是说它们只能运行某种应用，是指它们的组成部件是专门设计的，它们的CPU板，内存板，I/O板，操作系统，甚至I/O系统，都是不能在其它系统中使用的。由于技术上桌面系统与高端系统的巨大差异，和用户群窄小。

〔2〕普及时代

高性能计算机价格下降，应用门槛降低，应用开始普及。两个技术趋势起到重要作用

商品化趋势使得大量生产的商品部件接近了高性能计算机专有部件标准化趋势使得这些部件之间能够集成一个系统中，其中X86处理器、以太网、内存部件、Linux都起到决定性作用。

机群系统是高性能计算机的一种，它的技术根底和工业根底都是商品化和标准化。

1.3高性能计算机系统架构

Constellation星群

PVPParallelVectorProcessors并行向量机系统

SMPSymmetricMultipleProcessor对称多处理器

DSM〔NUMA〕分布共享存储非一致性访问分布共享存储

MPPMassivelyParallelProcessor大规模并行处理机

COWclusterofworkstations工作站集群

1.4高性能计算机分类

现代高性能计算机都属于MIMD(多指令多数据流)。MIMD从结构上和访存方式上，又可以分为：结构模型：PVP,SMP,MPP,DSM,COW

访存模型：UMA,NUMA,COMA,CC-NUMA,NORMA

2003-2011年计算机系统结构TOP500分布和性能表现分布

二、几大主流技术分析

2.1对称多处理SMP技术

对称多处理(symmetricalmultiprocessing，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．SMP系统采用商品化的处理器，这些处理器通过总线或交叉开关连接到共享存储器。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。

对称式共享存储：任意处理器可直接访问任意内存地址。且访问延迟、带宽、机率都是等价的，系统是对称的。微处理器:一般少于64个;处理器不能太多,总线和交叉开关的一旦做成难于扩展；应用实例:IBMR50,SGIPowerChallenge,SUNEnterprise,曙光一号。

2.2非一致访问分布共享存储NUMA技术

在非一致访问分布共享存储技术(nonuniformmemoryaccess,NUMA)体系结构中，每个处理器与本地存储器和高速缓存相连，多个处理器通过处理器、存储器互联网络相连．处理器还通过处理器、I／O网络访问共享的I／O和外围设备．至于处理器之间的通信那么通过可选的处理器之间的通信网络来实现．NMUA