高性能并行计算基础架构
GPU架构与技术详解
GPU架构与技术详解在计算机科学领域中，GPU（Graphics Processing Unit，图形处理器）是一种高性能的并行处理器，专门用于处理图形和影像数据。
GPU架构和技术是GPU的核心部分，是其能够实现高性能并行计算的基础，下面将详细介绍GPU架构和技术。
一、GPU架构1.传统的固定管线架构：-传统的固定管线架构是指，GPU的硬件流水线是由多个固定功能单元组成的，包括顶点处理单元、光栅化单元、像素处理单元等。
这种架构适用于以图形渲染为主的应用，但对于一些通用计算任务来说效率较低。
2.可编程管线架构：-可编程管线架构是指，GPU的硬件流水线可以根据应用的需求进行动态配置和编程。
这种架构使得GPU能够处理更加复杂的图形和计算任务，提高了其灵活性和性能。
3.统一架构：- 统一架构是可编程管线架构的演化，它将GPU的顶点处理和像素处理合并为一个可编程的流处理器（Streaming Processor）。
这样一来，GPU可以根据任务需求动态分配处理资源，从而提高性能和灵活性。
4.并行处理架构：-并行处理架构是指GPU利用多个流处理器并行处理任务。
在这种架构下，每个流处理器都可以独立执行计算任务，从而实现高性能的并行计算。
二、GPU技术1.CUDA：2. OpenCL：3. Vulkan：- Vulkan是一种跨平台的图形和计算API，可以实现高性能的图形渲染和并行计算。
Vulkan具有低延迟、高吞吐量和低CPU开销等特点，适用于对性能要求较高的应用，如游戏开发、虚拟现实等。
4.光线追踪：-光线追踪是一种先进的图形渲染技术，它可以模拟光线在物体表面上的反射和折射，从而实现更加真实的图形效果。
GPU的并行计算能力使得光线追踪技术能够得到更好的应用和加速。
5.深度学习：-近年来，GPU的并行处理能力在深度学习领域得到了广泛的应用。
GPU能够高效地进行矩阵乘法等基本计算操作，并且具备大规模并行处理的能力，因此成为了深度学习训练和推理的重要工具。
用于大规模数据处理的并行计算技术综述
用于大规模数据处理的并行计算技术综述大规模数据处理是当今信息时代必不可少的重要任务之一。
随着互联网的普及和技术的不断进步，人们从传统的数据处理方式转向了更加高效的并行计算技术。
本文将综述用于大规模数据处理的并行计算技术，从架构、算法和工具三个方面进行详细介绍。
一、并行计算的架构并行计算是将一个大任务分解成多个小任务，通过多个计算单元同时执行，从而提高计算速度。
在大规模数据处理中，有几种常见的并行计算架构。
1.对称多处理（Symmetric Multiprocessing，SMP）架构SMP是一种将多个处理器连接到一个内存和IO系统上的架构。
它适用于数据任务较小的情况，每个处理器都可以同时访问和处理数据。
然而，当任务规模非常大时，SMP架构的内存瓶颈和争用问题会限制其性能。
2.非一致存储访问（Non-Uniform Memory Access，NUMA）架构NUMA架构是一种在多个处理器间共享内存的架构。
每个处理器都连接到自己的本地内存，并通过互联网络与其他处理器的内存进行通信。
NUMA架构可以有效地解决内存瓶颈和争用问题，适用于大规模数据处理。
3.分布式存储架构分布式存储架构将数据存储在多个节点上，每个节点都有自己的处理能力和存储器。
数据通过网络传输进行通信和协同处理。
这种架构可扩展性强，适用于分布式大规模数据处理，如云计算环境。
二、并行计算的算法并行计算的算法是指在并行计算架构上执行的数据处理算法。
在大规模数据处理中，有几种常见的并行计算算法。
1.数据切分算法数据切分算法将大规模数据分割成多个小块，由不同的处理器同时执行。
这种算法适用于大规模数据的并行计算任务，如图像处理和机器学习中的矩阵计算。
常见的数据切分算法有水平切分、垂直切分和哈希切分等。
2.任务划分算法任务划分算法将一个大任务分解成多个小任务，并分配给不同的处理器执行。
这种算法适用于任务之间存在依赖关系的情况，如图计算和网络流量分析。
设计高性能并行计算机体系结构
设计高性能并行计算机体系结构高性能并行计算机体系结构是现代科学计算、数据处理和人工智能等领域的核心技术之一。
在大规模计算和高度并行的应用场景下，设计一个高性能的并行计算机体系结构至关重要。
本文将介绍何为高性能并行计算机体系结构，并提出一种设计思路，以实现高性能并行计算。
高性能并行计算机体系结构是指在硬件层面上如何组织计算单元、内存和互联网络等组件，以实现各处理单元之间的高效通信和并行计算能力。
一种常见的高性能并行计算机体系结构是多核处理器集群。
多核处理器集群由多个处理器核心组成，每个核心可以同时处理不同的指令，从而实现并行计算。
每个处理器核心拥有自己的缓存和寄存器，通过共享内存或者消息传递机制进行通信。
通过合理地设计处理器核心的数量和互连网络的结构，可以实现高性能的并行计算。
在设计高性能并行计算机体系结构时，需要考虑以下几个关键因素：首先是处理器核心的设计。
处理器核心是计算机的计算和控制单元，其性能直接决定了并行计算机的性能。
为了实现高性能的并行计算，处理器核心需要具备高性能的浮点计算单元、多级缓存、乱序执行和分支预测等特性。
此外，处理器核心的设计也需要考虑功耗和散热等问题，以保证在高负载下仍能保持良好的性能。
其次是内存子系统的设计。
内存的访问延迟和带宽是限制高性能并行计算的重要因素。
为了减少内存访问的延迟和提高带宽，可以采用多级缓存、高速内存和内存一致性机制等技术手段。
此外，还可以通过将数据和任务分布到不同的内存节点上，以实现更好的负载均衡和并行计算效率。
第三是互连网络的设计。
互连网络负责连接处理器核心和内存节点，为它们提供高效的通信通道。
在设计互连网络时，需要考虑带宽、延迟、拓扑结构和路由算法等因素。
常用的互连网络拓扑结构包括全互连、多维互连和树状互连等，而路由算法则需要根据具体的应用场景和计算需求来选择。
最后是编程模型和软件支持。
并行计算机体系结构需要与相应的软件开发环境相匹配，以提供方便快捷的并行编程接口和工具。
高性能计算机系统的架构设计与优化
高性能计算机系统的架构设计与优化高性能计算机系统是指能够快速高效地运行计算任务，并且能够满足大规模复杂计算的需求的计算机系统。
高性能计算机系统的架构设计和优化对于提高计算任务的运行效率具有重要的作用。
本文将从硬件和软件两方面探讨高性能计算机系统的架构设计和优化。
一、硬件架构设计和优化（一）内存架构设计与优化高性能计算机系统的内存架构对于系统的性能具有重要的影响。
在内存的架构方面，目前常用的有两种架构：共享内存和分布式内存。
共享内存架构指的是多个处理器共享同一块内存，处理器之间共享数据。
而分布式内存架构则意味着不同处理器之间有自己的内存，需要通过网络进行通信。
在内存的优化方面，可以采取以下措施：1.增加内存带宽：通过增加内存带宽提高内存的传输速度，以确保在大型复杂计算任务中能够快速高效地传递数据。
2.优化内存访问：通过优化内存访问，可以避免因为不必要的内存访问导致的性能下降。
3.增加内存容量：通过增加内存容量，可以避免因为内存不足导致的性能下降。
（二）处理器架构设计与优化高性能计算机系统的处理器架构对于系统的性能具有重要的影响。
处理器架构主要包括两方面：单个处理器的性能和多个处理器之间的协同效应。
在处理器的性能设计方面，可以采取以下措施：1.增加处理器的核数：通过增加处理器的核数提高系统的并行计算能力，以确保在大型复杂计算任务中能够快速高效地处理数据。
2.增加处理器的运算速度：通过增加处理器的运算速度提高单个处理器的计算能力，以确保在单个处理器的计算任务中能够快速高效地处理数据。
在处理器之间的协同效应方面，可以采取以下措施：1.优化处理器之间的通信：通过优化处理器之间的通信，可以提高处理器之间的协同效应。
2.增加处理器的互连方式：通过增加处理器之间互连的带宽和速度，可以提高处理器之间通信的效率，以提高系统的协同效应。
（三）存储器架构设计与优化高性能计算机系统的存储器架构对于系统的性能具有重要的影响。
计算机的并行计算技术有哪些详解并行计算的架构与应用
计算机的并行计算技术有哪些详解并行计算的架构与应用在现代科技领域，计算机的并行计算技术被广泛应用于许多领域，提供了强大的计算能力和效率。
本文将详细解释并行计算的概念、架构和应用，以及介绍几种常见的并行计算技术。
一、并行计算的概念并行计算是指同时执行多个计算任务的过程，以提高计算机系统的速度和性能。
与传统的串行计算相比，通过并行计算，多个处理器可以同时处理不同的计算任务，从而大大缩短了计算时间。
二、并行计算的架构1. 对称多处理器（SMP）对称多处理器是一种常见的并行计算架构，它包含多个处理器核心（CPU），每个处理器核心都可以访问共享内存。
因此，每个处理器核心都具有相同的权限和能力，并且可以相互通信和协作。
2. 分布式内存计算机（DMC）分布式内存计算机是一种将多个计算机连接在一起，并通过网络进行通信的并行计算架构。
在分布式内存计算机中，每个计算机都有自己的本地内存，并且计算任务被划分为子任务，在多台计算机之间进行并行计算。
3. 向量处理器向量处理器是一种特殊的并行计算架构，其核心思想是通过同时执行多个数据元素来提高计算性能。
向量处理器具有广泛的数据并行能力，并且可以在单个指令中处理多个数据。
三、并行计算的应用1. 科学计算在科学研究领域，许多复杂的计算任务需要大量的计算资源和时间。
通过并行计算技术，科学家可以利用多个处理器来加速大规模的数值模拟、数据分析和计算实验，从而加快科学研究的进程。
2. 数据挖掘与机器学习数据挖掘和机器学习是分析和理解大规模数据集的重要领域。
并行计算技术可以加速数据挖掘算法和机器学习模型的训练和推断过程，减少模型训练时间，提高预测和分类准确性。
3. 图像和视频处理在图像和视频处理领域，许多算法需要处理大量的像素和帧。
通过并行计算技术，可以将图像和视频处理任务分成多个子任务，并在多个处理器上同时处理这些子任务，从而提高图像和视频处理的效率和实时性。
4. 数据库管理和并行查询在大规模数据库管理和查询中，通过并行计算技术可以将查询任务划分为多个子任务，并由多个处理器同时执行这些子任务。
并行计算与高性能计算
并行计算与高性能计算近年来，随着计算机技术的不断发展，人们对计算效率的要求也越来越高。
并行计算和高性能计算作为解决效率问题的重要手段，正在被广泛应用于科学研究、工程设计等领域。
本文将对并行计算与高性能计算进行探讨，并分析其在实际应用中的优势和挑战。
一、并行计算的概念和原理1.1 并行计算的定义并行计算是指将一个计算任务划分为多个子任务，并通过多个处理单元同时进行计算的一种计算模式。
它可以大幅提高计算效率。
1.2 并行计算的原理并行计算依赖于处理器的并行能力和通信机制。
多个处理单元可以同时执行不同的子任务，通过互联网络进行通信和数据交换。
二、高性能计算的概念和特点2.1 高性能计算的定义高性能计算是指利用最新的硬件和软件技术，通过提高计算机的运算速度和数据处理能力，实现大规模、复杂问题的高效求解。
2.2 高性能计算的特点高性能计算具有运算速度快、存储容量大、并行处理能力强等特点。
它能够应对复杂问题的计算需求，并提供准确、高效的计算结果。
三、并行计算与高性能计算的关系3.1 并行计算是高性能计算的重要手段并行计算是实现高性能计算的重要手段之一。
通过充分利用并行计算的特点，可以提高计算任务的并行度，从而提高计算效率和性能。
3.2 高性能计算与并行计算相辅相成高性能计算依赖于并行计算的技术支持。
并行计算可以通过划分任务、优化算法等方法，提高高性能计算的效率和性能。
四、并行计算与高性能计算的应用案例4.1 科学研究领域在物理学、化学、天文学等科学研究领域，通过并行计算和高性能计算，可以模拟和计算复杂的物理过程，加速科学研究的进程。
4.2 工程设计领域在航空航天、汽车制造等工程设计领域，通过并行计算和高性能计算，可以对复杂的结构和流体进行数值模拟，提高产品的性能和安全性。
五、并行计算与高性能计算面临的挑战5.1 算法设计与优化并行计算和高性能计算需要设计和优化适合并行计算环境的算法，以提高计算效率和性能。
5.2 数据分布与通信开销在并行计算过程中，数据的分布和通信开销是一个关键问题。
高性能计算导论：并行计算性能评价
如流水线技术、分治算法等，通过将任务划分为多个子任 务，分配给不同的处理单元并行执行，从而实现任务的快 速完成。
消息传递并行算法
如MPI（Message Passing Interface）算法，通过进程 间通信来协调不同处理单元上的任务执行，适用于分布式 内存系统。
算法优化策略与方法探讨
结果分析和改进建议
结果分析
对实验结果进行深入分析，找出性能 瓶颈和影响性能的关键因素。
改进建议
根据分析结果提出针对性的改进建议，如优 化算法、改进系统结构、提高硬件性能等。 同时，也可以对实验方法和流程进行反思和 改进，以提高评估的准确性和有效性。
05 案例分析：并行计算性能 评价实践
案例背景和目标设定
加速比
并行算法相对于串行算法 的执行速度提升倍数。
效率
用于衡量并行系统中处理 器利用率的指标，通常表 示为加速比与处理器数量 的比值。
可扩展性与规模性指标
1 2
等效性
在增加处理器数量时，保持问题规模和计算复杂 度不变的情况下，系统性能的提升能力。
弱可扩展性
在增加处理器数量的同时，增加问题规模，保持 每个处理器的负载不变，系统性能的提升能力。
功耗与能效比指标
功耗
01
并行计算系统在运行过程中的总功率消耗。
能效比
02
用于衡量并行计算系统每消耗一单位能量所能完成的计算量或
任务量的指标。
节能技术
03
采用低功耗处理器、动态电压频率调整、节能算法等技术降低
并行计算系统的功耗。
03 并行算法设计与优化策略
典型并行算法介绍及原理剖析
数据并行算法
如数组运算、矩阵乘法等，通过将数据划分为多个部分， 在多个处理单元上并行执行相同的操作来提高性能。
高性能计算的基础知识
高性能计算的基础知识随着科学技术的进步，高性能计算已经成为众多科学研究和工程应用领域的重要工具。
高性能计算能够迅速地处理大量的计算任务，提高科学研究和工程开发的效率和准确性。
本文将介绍高性能计算的基础知识，包括高性能计算的定义、优势、应用领域、基础架构以及挑战。
一、高性能计算的定义高性能计算是指应用先进的计算技术和方法，通过使用大规模、高速度、高性能的计算设备和系统，迅速地处理计算任务，以获得科学研究或工程应用的高效、高精度计算结果。
高性能计算是基于计算机科学、信息科学和应用科学的交叉学科，是这些学科研究成果的集成和应用。
高性能计算中所涉及的技术和方法包括：并行计算、分布式计算、网络通信和存储技术等。
二、高性能计算的优势高性能计算在科学研究和工程应用中有很多优势。
首先，高性能计算能够迅速地处理大量的计算任务，大大缩短计算时间。
例如，在气象预报中，通过高性能计算，可以在数小时内计算出未来一周的天气变化趋势，而在普通计算机上，这需要数天甚至数周的时间。
其次，高性能计算能够提高计算精度和模拟质量。
例如，在航空航天领域，使用高性能计算进行流场模拟，可以精确地预测飞行器的空气动力学性能，同时节约研制成本和时间。
此外，高性能计算还可以处理大量的数据，发现和分析数据中的规律和关系，提供科学研究和工程应用的支持和指导。
例如，在生物医学领域，使用高性能计算处理基因数据，可以预测疾病风险，为疾病的预防和治疗提供指导。
三、高性能计算的应用领域高性能计算在科学研究和工程应用领域的应用非常广泛。
以下是一些典型的应用领域：1.气象学：气象预报、气候模拟、环境污染预测等。
2.航空航天：飞行器设计、空气动力学模拟、卫星运行轨迹预测等。
3.计算化学：分子模拟、药物设计、先进材料研究等。
4.生物医学：基因组学、药物筛选、疾病预测等。
5.地震学：地震模拟、地震监测、地震预警等。
6.能源领域：能源储存、发电设施性能优化、碳捕获等。
7.金融领域：风险测量、交易模拟、资产评估等。
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层次式机群模型
P M
P M
P M
互联网络
节点1 节点n
M P
Mem
P/C
P/C 总线/交叉开关
Mem
P/C
P/C 总线/交叉开关
P M
消息传递互联网络 （网络、环网、超立方、立方环等）
D
D
D
I/O
NIC、DIR、RC
I/O
NIC、DIR、RC
C P
C
P COMA
C
P
M P
P M
系统互联网络 CC-NUMA
高性能并行计算架构
浪潮电子信息产业股份有限公司 2013-11-18
自主创新★安全可控
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并行计算机基础
并行计算及系统架构
并行软件环境
高性能机群
自主创新★安全可控
并行计算机基础
• 并行计算(Parallel Computing）
• 高性能计算(High Performance Computing)
并行计算机基础——发展历程
• 专用时代
包括向量机，MPP系统，SGI NUMA 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，甚至操作系统，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。
• 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。
自主创新★安全可控
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并行计算机基础
并行计算及系统架构
并行软件环境
高性能机群
自主创新★安全可控
并行计算机系统架构——类型
• Flynn分类：
– SISD, SIMD, MIMD, MISD
• 结构模型：
– PVP, SMP, MPP, DSM, COW
• 访存模型：
– UMA, NUMA, COMA, CC-NUMA, NORMA
MB
VP VP VP P/C P/C P/C
MB P/C LM NIC P/C LM NIC
交叉开关 SM SM PVP MB P/C LM DIR NIC MB SM SM
总线/交叉开关 SM SMP
MB
IO 定制网络 MPP
MB
P/C LM DIR NIC
P/C M Bridge
LD
P/C M Bridge
– COW系统是由大量的PC机或者工作站通过商用网络连接在一起 构成的。 – COW可以完全使用可以买到的商用组件装配而成，这些商用组件 都是大规模生产的产品，因此能够获得较高的性价比。
MB P/C M Bridge LD NIC 商品网络（以太网、ATM、ETC） COW
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MB P/C M Bridge LD NIC IOB IOB
亿次的性能记录。红杉也是名单上最节能的系统之一，共消耗7.84兆瓦，提供
2,031.6 MFLOPS / W 4 K 现在以持续计算速度每秒1.05亿亿次的记录位列第四，使用705,024 SPARC64处理
富士通的“K计算机”安装在日本神户的理化学研究所高级计算科学研究院( AICS )，
核心。
5 米拉 米拉是第二个蓝色基因/ Q系统的超级计算机，现在安装在阿尔贡国家实验室，名 列第五位。持续计算速度每秒8.59千万亿次，使用786,432核心。
LD
IOB NIC
IOB
NIC 商品网络 COW
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定制网络
DSM
并行计算机系统架构——结构分类-SMP
• SMP对称多处理机系统
• 对称共享存储：系统中的任何处理机均可直接访问任何内存模块的存
储单元和I/O模块连接的I/O 设备，且访问的延迟、带宽和访问成功
率是一致的。所有内存模块的地址单元是统一编码的，各个处理机之 间的地位相同。操作系统可以运行在任意一个处理机上。
并行计算机系统架构——结构分类-MPP • MPP大规模并行处理机系统
MPP一般是指超大型（Very Large-Scale）计算机系统，由数万、数十
万个处理器组成的大规模并行机。
MB P/C
LM NIC
MB P/C
LM NIC
定制网络 MPP
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并行计算机系统架构——结构分类-MPP
• MPP特点
• 节点数量多，这些节点由局部网卡通过高性能互联网络连接。
• 每个节点都相对独立，并拥有一个或多个微处理机。这些微处理机都
有局部高速缓存，并通过局部总线或互联网络与局部内存模块和I/O 设备相连接。
• MPP 的各个节点均拥有不同的操作系统映像，一般情况下，用户可
以将作业提交给作业管理系统，由它来调度当前系统中有效的计算节 点来执行该作业。同时，MPP系统也允许用户登录到指定的节点，或
• 超级计算(Super Computing) • 任何高性能计算和超级计算都离不开使用并行技术 • 高性能计算HPC (High Performance Computing) 指通常使用很多 处理器（作为单个机器的一部分）或者某一集群中组织的多台计算机
（作为单个计 算资源操作）的计算系统和环境。
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Intel Paragon， IBMSP2，曙 光1000/2000
COW MIMD 商用 商用网络 消息传递 多地址空 间 分布非共 享 NORMA
Berkeley NOW， Alpha Farm
集中共享
UMA
集中共享
UMA
分布பைடு நூலகம்享
NUMA
IBM R50， Cray C-90， Stanford SGI Power Cray T-90， DASH，Cray Challenge， 银河1号 T 3D 曙光1号
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并行计算机系统架构——Flynn分类
根据指令流和数据流的不同，通常把计算机系统分为四类： • 单指令流单数据流（SISD -Single Instruction stream Single
Datastream）
• 单指令流多数据流（SIMD- Single Instruction stream Multiple
单一的操作系统映像：类似SMP，用户只看到一个操作系统，各个节点动态负载均衡。
部高速缓存数据与存储器中的数据是一致的，既CC-NUMA 结构。
可扩展性高：DSM 并行计算机可扩展到上千个节点。 支持消息传递、共享存储并行程序设计。
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低通信延迟与高通信带宽：专用的高速互联网络使得节点间访问延迟小，通信带宽高。
到某些特定的节点上运行作业。
• 各个节点上的内存模块是相互独立的，且不存在全局内存单元的统一 硬件编址。一般情况下，各个节点只能直接访问自身的局部内存模块。
如果需要直接访问其它节点的内存模块，则必须有操作系统提供特殊
的软件支持。
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并行计算机系统架构——结构分类-COW • COW工作站集群系统
分布共享存储: 内存模块物理上局部于各个处理器内部,但逻辑上(用户)是 共享存储的；这种结构也称为基于 Cache 目录的非一致内存访问 (CCNUMA)结构； 与SMP的主要区别：DSM在物理上有分布在各个节点的局部内存从而形 成一个共享的存储器；
MB P/C LM DIR NIC
定制网络 DSM
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并行计算机系统架构——结构分类-对比
属性 结构类型 处理器类 型 互连网络 通信机制 地址空间 系统存储 器 访存模型 代表机器 PVP MIMD 专用定制 定制交叉 开关 共享变量 单地址空 间 SMP MIMD 商用 总线、交 叉开关 共享变量 单地址空 间 DSM MIMD 商用 定制网络 共享变量 单地址空 间 MPP MIMD 商用 定制网络 消息传递 多地址空 间 分布非共 享 NORMA
P M
P M
P M
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并行计算机系统架构——访存模型-UMA
• UMA（Uniform Memory Access）模型是均 匀存储访问模型的简称。其特点是：
– 物理存储器被所有处理器均匀共享； – 所有处理器访问任何存储字取相同的时间； – 每台处理器可带私有高速缓存； – 外围设备也可以一定形式共享。
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并行计算机系统架构——访存模型
CSM
CSM 全局互联网络
CSM
P1
P2
系统互联 （总线、交叉开关，多级网络）
Pn
P
LM1 LM2 P1 P2 互 联 网 络 P CIN
CSM
CSM
P
P CIN
CSM
CSM
I/O
SM1
NUMA共享存储器
SM2
LM3
P3 共享本地存储模型
P
CSM
P
CSM
Datastream ）
• 多指令流单数据流（MISD- Multiple Instruction stream Single
Datastream ）
• 多指令流多数据流（MIMD- Multiple Instruction stream Multiple
Datastream ）
自主创新★安全可控
并行计算机系统架构——结构分类
并行计算机系统架构——结构分类-COW • COW特点