高性能计算机的体系结构与程序优化
高性能计算中的并行计算模型及其特点分析
高性能计算中的并行计算模型及其特点分析高性能计算（High-Performance Computing，HPC）是指利用大规模的计算机集群或并行计算机体系结构，通过并行处理技术和优化算法，实现大规模科学计算、复杂数据分析和模拟实验的能力。
在高性能计算中，使用并行计算模型可以提高计算效率和性能，并实现更快速的计算任务处理。
本文将对几种常见的并行计算模型进行分析，并讨论它们的特点。
1. SIMD并行计算模型单指令多数据（SIMD，Single Instruction Multiple Data）是一种并行计算模型，它通过并行执行多个相同指令，在多个数据上同时操作。
SIMD在数据并行性较高的任务中表现出色，如图像处理、信号处理等。
SIMD计算模型的特点是数据并行性强，计算过程中的每个指令会同时作用于多个数据元素。
它可以提高性能，减少资源的浪费。
然而，其缺点是程序设计较为复杂，需要在编程时手动实现并行指令。
2. MIMD并行计算模型多指令多数据（MIMD，Multiple Instruction Multiple Data）是一种并行计算模型，它通过在多个处理单元上执行多个独立的指令，同时处理不同的数据。
MIMD广泛应用于科学计算、仿真模拟等领域。
MIMD计算模型的特点是每个处理单元都独立执行指令，并且可以在不同的数据上进行操作。
这种模型适用于任务之间的数据依赖较弱的情况。
与SIMD相比，MIMD具有更好的灵活性和扩展性，但也会引入更多的通信和同步开销。
3. SPMD并行计算模型单程序多数据（SPMD，Single Program Multiple Data）是一种并行计算模型，它使用多个处理单元执行相同的程序，但处理不同的数据。
SPMD广泛用于科学计算、并行编程和并行算法设计等领域。
SPMD计算模型的特点是多个处理单元以相同的方式执行同一个程序，但每个处理单元可以有不同的数据输入。
它弥补了MIMD模型中通信和同步的不足，并提供了更好的可扩展性和负载均衡性。
计算机体系结构优化方法
计算机体系结构优化方法随着科技的不断发展和计算机应用范围的不断扩大，人们对于计算机性能的需求也越来越高。
计算机体系结构是计算机硬件与软件之间的桥梁，它的设计和优化对提高计算机性能至关重要。
本文将介绍几种常见的计算机体系结构优化方法。
一、流水线技术流水线技术是一种可以同时执行多个指令的技术，它能够充分利用计算机硬件资源，提高计算机的执行效率。
在流水线技术中，计算机的处理过程被划分为多个阶段，每个阶段执行不同的指令。
通过将多个指令交错执行，可以大幅度提高计算机的吞吐量。
同时，流水线技术还能降低处理器的时钟周期，提高计算机的工作频率。
二、超标量技术超标量技术是一种可以同时执行多条指令的技术，它可以通过在一个时钟周期内执行多个指令来提高计算机的执行效率。
在超标量技术中，计算机可以同时从指令流中提取多个指令并执行，而不是依次执行指令。
通过并行执行多条指令，超标量技术可以显著提高计算机的性能。
为了实现超标量执行，计算机需要有多个功能单元和多个寄存器，以支持多条指令的并行执行。
三、向量处理器技术向量处理器技术是一种可以同时处理多个数据元素的技术，它能够将一条指令应用于多个数据元素，从而提高计算机的处理速度。
在向量处理器技术中，计算机可以将多个数据元素存储在向量寄存器中，并通过单条指令同时对多个数据元素进行操作。
与传统的标量处理器相比，向量处理器可以在一个时钟周期内执行更多的计算操作，从而提高计算机的性能。
目前，向量处理器技术已经广泛用于科学计算、图形处理等领域。
四、并行计算技术并行计算技术是一种通过同时使用多个处理器来执行任务的技术，它能够显著提高计算机的计算速度。
在并行计算技术中，计算机可以将一个任务分解成多个子任务，并由多个处理器并行执行。
通过充分利用多个处理器的计算能力，计算机可以在更短的时间内完成任务。
并行计算技术在科学计算、数据分析等领域有着广泛的应用。
结论计算机体系结构优化方法的发展，不仅可以提高计算机的性能和效率，还可以推动计算机技术的发展和进步。
计算机体系结构
计算机体系结构计算机体系结构是指计算机硬件和软件之间的接口、数据传输和运行机制的组织结构。
它决定了计算机系统的性能、可扩展性、可靠性和安全性。
计算机体系结构的设计是计算机科学和工程领域的核心问题之一，它直接影响到计算机的性能和能力。
一、概述计算机体系结构是计算机科学中一个重要的概念，它包括计算机的硬件和软件部分。
计算机硬件包括中央处理器（CPU）、内存、输入输出设备等，而计算机软件则包括操作系统、编译器、应用程序等。
计算机体系结构通过定义指令集架构、存储架构和总线结构等，来决定计算机系统的基本工作原理和功能。
二、指令集架构指令集架构是计算机体系结构的核心部分，它定义了计算机处理器所支持的指令集和指令执行方式。
常见的指令集架构有精简指令集（RISC）和复杂指令集（CISC）两种。
RISC架构采用简化的指令集和固定长度的指令格式，以提高指令执行的效率和速度；而CISC架构则支持更复杂的指令和灵活的地址模式，以提供更强大的功能和灵活性。
三、存储架构存储架构是计算机体系结构中的另一个核心要素，它定义了计算机系统中各种存储器的组织方式和访问机制。
存储器可以分为主存储器（RAM）和辅助存储器（硬盘、固态硬盘等）。
存储架构涉及到存储器的位宽、存储单元的地址和数据传输方式等问题。
不同的存储架构可以影响计算机的内存访问速度和容量。
四、总线结构总线结构是计算机体系结构中用于数据传输和通信的重要组成部分。
它定义了计算机系统中各种硬件组件之间的连接方式和数据传输的规范。
总线结构可以分为系统总线、数据总线和控制总线等不同的层次。
它决定了计算机系统中各个部件之间数据传输的带宽和速度。
五、并行处理并行处理是指利用多个处理器或处理核心同时执行多个任务，以提高计算机系统的性能和并发能力。
计算机体系结构中的并行处理包括指令级并行和线程级并行两种形式。
指令级并行通过同时执行多条指令来提高处理器的效率；线程级并行则利用多个线程并行执行任务，以提高整个系统的吞吐量。
计算机体系结构
计算机体系结构计算机体系结构是指计算机硬件与软件之间的结构和组织方式，包括计算机系统的层次、组件之间的连接方式、数据流以及控制流等。
它是计算机科学中的一个重要概念，对于理解计算机工作原理和优化计算机性能具有重要意义。
一、引言计算机体系结构是计算机科学领域中一项关键内容。
它关注计算机硬件和软件之间的交互和组织方式，是计算机系统设计的基础。
本文将介绍计算机体系结构的基本概念、组成以及它对计算机性能的影响。
二、计算机体系结构的基本概念1. 冯·诺依曼体系结构冯·诺依曼体系结构是计算机体系结构的基础，提出了程序存储器和数据存储器的概念，启发了后来计算机的设计思想。
在冯·诺依曼体系结构中，程序和数据被存储在同一块内存中，通过控制器实现程序和数据的读写。
2. 分布式体系结构分布式体系结构是一种多台计算机相互协作的体系结构，每台计算机具有独立的处理能力，通过通信网络进行数据交换和协作。
分布式体系结构具有高可靠性、高性能和可扩展性等优势，广泛应用于大规模计算和数据处理领域。
3. 多核体系结构多核体系结构是一种将多个处理核心集成到单个芯片上的体系结构。
多核体系结构有助于提高计算机的处理性能和并发能力，适用于并行计算和多任务处理。
三、计算机体系结构的组成1. 中央处理器（CPU）中央处理器是计算机体系结构的核心组件，负责执行计算机指令和控制计算机的工作流程。
它包括算术逻辑单元（ALU）、控制单元（CU）和寄存器等。
2. 存储器存储器用于存储计算机的程序和数据，分为主存储器和辅助存储器。
主存储器包括随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM），辅助存储器包括硬盘、光盘和闪存等。
3. 输入输出设备输入输出设备用于与计算机进行信息交互，包括键盘、鼠标、打印机、显示器等。
它们通过输入输出控制器与计算机系统进行数据交换。
四、计算机体系结构的影响因素1. 性能计算机体系结构直接关系到计算机的性能。
计算机体系结构作业答案(高性能)
2
第二讲：二进制与逻辑电路
9. 定点数的表示 a） 分别给出 64 位定点原码和补码表示的数的范围。 解：[-2 , 2 -1] b） 在 32 位定点补码表示中，0x80000000 表示什么数？ 解：-2
31 63 63
10. 浮点数的表示 a） 把单精度数转化为十进制数：0x7ff0000, 0xbe400000, 0xff800000 解 ： 0x7ff0000=0,0000 1111,111 1111 0000 0000 0000 0000=(1.1111111)2*2 3.8368135610839464260099560574934e-34 0xbe400000=1,0111 1100,100 0000 0000 0000 0000=-(1.1)2*2 0xff800000=1,1111 1111,000 0000 0000 0000 0000=-∞ b） 把双精度数转化为十进制数：0x4035000000000000, 0x8008000000000000 解 ： 0x4035000000000000=0,10000000011,0101000000000000000000000000000000000000 000000000000=(1.0101)2*2 0x8008000000000000 =
计算机体系结构性能优化方法
计算机体系结构性能优化方法在计算机体系结构的发展过程中，性能优化是一个至关重要的环节。
性能优化是指在保持计算机系统硬件和软件功能的前提下，提高其计算速度、响应时间、资源利用率和可靠性等方面的手段和措施。
本文将介绍一些常见的计算机体系结构性能优化方法。
一、并行计算并行计算是通过将一个任务拆分为多个子任务，然后将这些子任务分配给多个处理器同时执行的方法。
它可以充分利用多核处理器的并行计算能力，提高计算吞吐量和并发能力。
在并行计算中，需要注意任务的划分和调度，合理安排任务的调度顺序和负载均衡，以充分发挥并行计算的优势。
二、指令级并行指令级并行是通过同时执行多条指令来提高计算机的性能。
它包括指令并发和流水线技术。
指令并发是指在同一时钟周期内并行执行多条指令，充分利用处理器的执行单元。
流水线技术是指将指令的执行过程划分为多个阶段，使多条指令在不同阶段同时执行，以提高指令的吞吐量。
三、存储器层次结构优化存储器层次结构是计算机存储器的组织方式。
在性能优化中，存储器的访问速度是一个关键因素。
通过合理设计存储器的层次结构，如缓存技术、预取技术和虚拟存储器技术，可以提高存储器的访问速度和命中率，减少访问延迟，从而提高计算机的性能。
四、并行I/O优化在大规模数据处理和并行计算中，I/O操作成为性能瓶颈。
通过采用并行I/O技术，可以同时进行多个I/O操作，提高数据传输的速度和并发能力。
在并行I/O优化中，还可以使用缓冲区和预读取技术来提高I/O性能，减少CPU等待时间。
五、负载均衡优化负载均衡是指将任务合理分配给多个处理器，使得各个处理器的负载均衡，提高系统的整体性能。
在负载均衡优化中，需要考虑任务的复杂度和执行时间，采用任务分配算法和调度算法来实现任务的均衡分配。
六、优化算法和数据结构优化算法和数据结构是计算机程序设计的关键。
通过优选算法和数据结构，可以提高程序的效率和性能。
在实际应用中，可以使用一些常见的优化算法，如贪心算法、分治算法和动态规划算法，以及高效的数据结构，如哈希表和平衡二叉树，来优化计算机的性能。
计算机体系结构基本概念
计算机体系结构基本概念计算机体系结构是指计算机系统中的各个组成部分之间的关系和交互方式。
它是计算机硬件与软件之间的接口，决定了计算机系统的工作方式、性能表现以及可扩展性。
本文将介绍计算机体系结构的基本概念和相关内容。
一、计算机体系结构的概述计算机体系结构是指计算机系统的结构组织，包括硬件和软件。
主要由计算机硬件、指令系统、运算方式和数据流组成。
计算机体系结构的目标是提供高性能、可靠性、可扩展性和高效能的计算机系统。
计算机体系结构的设计通常以指令集架构和微架构为基础。
二、指令集架构指令集架构是计算机体系结构中的一个重要概念。
它定义了计算机系统处理信息的方式。
指令集架构包括计算机的指令集、寄存器、数据类型和地址模式等。
根据指令集的不同，可以将计算机体系结构分为复杂指令集计算机（CISC）和精简指令集计算机（RISC）。
三、微架构微架构是指计算机体系结构的实现方式。
它包括处理器的内部结构、数据通路、控制流和存储相关的电路设计。
微架构的设计影响着计算机系统的性能和功能。
常见的微架构包括超标量、乱序执行和流水线等。
四、存储结构与存储器层级存储结构是指计算机系统中用于存储数据的层次结构。
存储器层级分为寄存器、高速缓存、内存和辅助存储器等。
不同层级的存储器具有不同的特点，如容量、速度和价格等。
存储结构的设计旨在提高计算机系统的访问速度和运行效率。
五、总线结构总线结构是计算机体系结构中连接各个组件的通信系统。
它包括地址总线、数据总线和控制总线等。
总线结构的设计影响着计算机系统的数据传输速度和可扩展性。
六、并行处理与多核技术并行处理是指多个处理器或计算单元同时执行指令，提高计算机系统的运行速度和性能。
多核技术则是将多个处理核心集成到同一个芯片上，实现并行运算。
并行处理和多核技术在高性能计算、科学计算和图像处理等领域得到广泛应用。
七、虚拟化技术虚拟化技术是指通过软件将计算机资源抽象为多个逻辑实体，实现多个操作系统和应用程序的隔离和共享。
巨型计算机发展情况
我国巨型计算机系列发展情况简介巨型计算机的研制水平、生产能力和应用程度，标志着一个国家科学技术的水平和工业发展的程度，象征着一个国家的综合实力。
特别是关系到国家安全的尖端科学领域，巨型计算机的战略地位显得尤为突出。
目前能生产巨型计算机的国家为：美国、日本、俄罗斯、法国、英国、德国、中国等几个国家。
银河系列巨型计算机是中国人民解放军国防科技大学计算机研究所研制的巨型计算机。
目前在国际上达到了先进水平，突破和掌握了更高量级计算机的关键技术，具备了研制更高性能巨型计算机的能力，标志着我国高性能巨型机研制技术取得新突破。
必将对我国国民经济建设、国防建设和科学事业的发展，产生巨大的推动力。
当前，一些发达国家正在进行准备研制万亿次甚至更高速度的巨型计算机，届时精确描绘自然界某些复杂现象的瞬时图象将会呈现在人们面前。
第一代银河─Ⅰ巨型计算机1983年12月银河—Ⅰ巨型计算机在长沙国防科技大学研制成功。
它的诞生标志着我国已跨入了国际计算机领域的先进行列，银河—Ⅰ巨型计算机的运行速度达每秒钟1亿次。
它的研制成功证明了我国已具备了研制高性能、大规模并行巨型机的能力，是我国高技术领域取得的一次重大成果。
第二代银河—Ⅱ巨型计算机1992年11月19日银河—Ⅱ巨型计算机在长沙国防科技大学研制成功。
它的运行速度每秒钟达10亿次。
第三代银河—Ⅲ巨型计算机1997年6月19日银河—Ⅲ巨型计算机在北京通过了国家技术鉴定。
它的研制成功，使我国在这个领域跨入了世界先进行列。
银河—Ⅲ巨型计算机采用了目前国际最新的可扩展多功能处理机并行体系结构，成功设计了由硬件支持的全系统共享访存机制，实现了全局共享分布存储结构。
银河—Ⅲ巨型计算机的整体性能优异，系统软件高效，网络计算环境强大，可靠性设计独特，工程设计优良，运算速度为每秒钟130亿次，综合处理能力是银河—Ⅱ的10倍以上，而体积仅为银河—Ⅱ巨型机的六分之一。
每秒运算4000亿次预报一个月天气仅用15分钟我国研制出超级服务器北京2001年2月17日电：最高运算速度达每秒4032亿次、内存总量达168GB……经过辛勤努力，中国科学院计算机技术研究所近日成功研制出“曙光3000”超级服务器，是继“曙光1000”和“曙光2000”之后我国高性能计算机领域中的又一里程碑，是我国迄今性能最高的国产超级服务器。
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2021/3/7
13
充分利用处理器内的并行
• 提高单机性能是提高并行机性能的基础 • 目前CPU内部常用的并行结构包括：
– 指令流水线与运算流水线 – 多个功能部件并行执行
• 如：定点运算、存/取、浮点加、浮点乘、…
• 充分流水、并行工作的条件
– 指令间没有相关，即相互独立 – 结构相关：两条指令要用同一个部件 – 数据相关：一条指令要用另一条指令的结果 – 2021/3/7 控制相关：条件转移指令影响其它指令 14
• 如何支持编程?
– 共享内存
– 承担一些软件较难完成的优化工作
2021/3/7 • 如动态执行, 猜测执行, COMA等
4
三种类型的体系结构技术
• 保守的结构
– 硬件仅提供必需的设施, 如大量的寄存器 – 高性能能否最终达到, 完全依赖软件
• 折衷的结构
– 硬件做一些动态的优化, 如高速缓存 – 软件仍有优化的余地
• 实际性能的提高更依赖于体系结构与编译技 术、操作系统、应用算法间的配合与协调
– Architectural Support for Programming Languages and Operating Systems, Since 1988
• 未来系统中两大问题的解决也是如此
– ①极长的等待时间；②极大的并行度
– Explicitly Parallel Instruction Computer – 128位的Group包括3条指令 – 设置专门的域指示指令间是否存在依赖关系 – 2021/3/7 可连接多个Group以支持更大范围内的并行 6
结点内并行：同时多线程结构
• 由硬件提供快速的上下文切换机制
– 引入了更多的指令级和线程级并行性
–2021同/3/7时执行分支的多个目标（多标量）
8
结点间并行：消息传递系统
• Tcomm = Tstartup + Tblock + Ncomm/Bcomm • 如何实现与处理能力匹配的通信带宽
– 通信带宽、通信延迟对应用性能的影响
– 光互连技术
• 如何减少通信开销
– 用户级通信
– 硬件支持重试、保证通信的可靠性和顺序
2021/3/7
2
体系结构的位置
Programming Models
Architecture
Applications SystemSoftware Hardware
• 体系结构是硬件和系统软件之间的界面
– Enable High Performance – Support Ease Programming
– 经过“预热”, 数据将被“吸引”到处理结点附 近
• 主要问题: 不命中时如何快速找到所需数据
– 2021/3/7 全系统的查找需大量时间
11
存储器的供数率跟得上吗？
• CPU消耗数据的速率远大于存储器供数率
– 时钟频率增长的速度大于访存时间缩短的速度 – 同时执行多条指令要求供数率进一步提高 – 多线程或芯片内多处理器要求访问多组数据
• 如何减少阻塞
– 2021/3/7 自适应路由、优化应用的通信结构
9
结点间并行：共享存储系统
• 共享存储的好处
– 易于编程、通用性强
– 与SMP及其应用实现无缝衔接
• 存储一致性模型与实现效率
– 松(弱)一致性模型允许多种优化
– 对系统软件设计或应用程序设计提出新的要求?
• 如何避免、隐藏或容忍远程访问的开销
• 已知的解决方案：存储器层次结构
– 片内cache的供数率能满足指令级并行的要求? – 片内cache的命中率足够高? – 为多个线程或处理器提供各自的cache? 20–21/3如/7 何通过程序或算法的改进增强访存局部性?12
性能不仅依赖于结构
• 性能的提高依赖于体系结构上的革新
– 硬件技术的发展对体系结构提出了新的要求 – 各个层次并行性的开发是新体系结构的主要特征
• 编程模型是应用和计算机系统间的界面
– 2021/3/7 理想的模型: 应用不必了解具体的结构特征 3
体系结构的主要研究内容
• 如何提高性能?
– 先进的工艺技术－－纯粹属于硬件的范围？
• 技术方面的缺点需要通过结构来弥补
• DRAM慢，SRAM小＝》存储器层次结构
– 体系结构方面的革新
• 各个级别上并行性的开发
• 硬件动态地分析指令流，同时执行多条指令
– 在分析区间内，指令以数据流的方式执行
– 弥补编译器在静态分析和调度方面的不足
– 换代后目标码不重新编译也能获得较好的性能
• 需要发掘指令级并行性的新来源
– 精确的动态分支预测，消除分支损耗
– 设置大量换名寄存器，消除虚假的数据依赖
– 不等分支完成，就开始执行目标指令（猜测）
– Origin2000: 185周期; 未来可能达数百万个周期
– 021/3/7 缓存、预取、预送、多线程
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结点间并行：COMA
• CC-NUMA的主要问题
– 数据静态地分配在home结点上
– 通过远程访问cache存取非本地的数据
– 数据分配不当会造成大量的数据传输
• COMA中没有物理地址, 数据可动态迁移
• 包揽式的结构
– 硬件试图做充分的动态优化, 如COMA – 2021/3/7 认为软件在动态分析和优化方面能力有限 5
结点内并行：超长指令字结构
• 芯片面积主要用于功能部件和高速缓存
– 完全依赖编译程序开发指令级并行性
• 分支预测, 循环展开, 软件流水, 踪迹调度
– 指令系统结构不兼容
• 显式并行指令结构（EPIC）
高性能计算机的 体系结构与程序优化
唐志敏 中国科学院计算技术研究所
2021/3/7
1 Institute of Computing Technology, CAS
提纲
• 应用编程与体系结构的关系 • 高性能计算机体系结构概述 • CPU内的并行结构（指令级并行） • 存储器的层次结构 • 多体交叉的并行存储系统 • 分布存储系统中的通信优化
– 容忍远程访问延迟和数据依赖的负面影响
• 多个上下文之间的切换机制
– 发生事件时切换(有点象进程的切换)
– 每个时钟周期都切换: 每次取不同线程的指令
• 多个线程的指令在同一流水线中(无依赖)
• 第一个多线程系统(Tera)已经问世
– 2021/3/7 多线程同时工作对cache干扰很大
7
结点内并行 超标量、动态调度、猜测执行