计算机系统结构课件chapter0

计算机系统结构课程介绍课程目标本课程是计算机科学与技术专业的一门的基础课程。通过本课程的学习，使学生理解计算机系统的基本工作原理，以及在硬件、软件界面划分的权衡策略，建立完整的、系统的计算机软硬件整体概念。课程特点专业基础课内容多，理论性强，难度较大总结性课程(硬件方面：数字逻辑，组成原理）（软件方面;操作系统，汇编语言，数据结构）课程主要内容计算机系统结构概论数据表示、寻址方式与指令系统存储、中断、总线与I/O系统存储体系流水和指令级高速并行的超级机阵列处理机多处理机数据流机和规约机*成绩计算平时成绩-到课率，课堂表现（10%)作业成绩-（10%）Paper–(10%)期末考试成绩-（70%）课程的重点从整体上掌握计算机系统的工作原理，以讲授计算机系统结构的基本概念和基本原理为主，而不是完整介绍各种系统结构，即不是以具体的机器为实例进行教学让同学们明白计算机技术发展的趋势及影响，激发学习热情、钻研和创新精神了解新技术、新概念，扩大知识面如：RISC、RAID、SMP、Cluster等如：网格计算（GridComputing），P2P，云计算（CloudComputing），GPU计算如：多核（Multicore），众核（Manycore）,融核(intelxeonphi)如：Hadoop&MapReduce，大数据（bigdata)1、云计算2、大数据计算机学科的组织构成★★计算机系统结构★★计算机软件与理论★★计算机应用理科工科农医管理…★计算机科学与技术专业说明:★一级学科★★二级学科★软件工程专业ComputingSystemsTodayScalable,Reliable,SecureServicesMEMSforSensorNetsInternetConnectivityClustersMassiveClusterGigabitEthernetDatabasesInformationCollectionRemoteStorageOnlineGamesCommerce…TheworldisalargeparallelsystemMicroprocessorsineverythingVastinfrastructurebehindthemRobotsRoutersCarsSensorNetsRefrigerators计算机技术的发展自1946年以来，计算机近70年有了惊人的发展性能：（加法）速度提高了5个数量级计算机性能以大约每年35%的速度提高价格：今天$1000的机器相当于60年代中$106的机器，这里同性能计算机的价格比，改善了３个数量级。从发展过程中体会本课程的含义。指数增长的世界网络vs.计算机性能处理器速度每18个月翻一番存储密度每12个月翻一番网络速度每9个月翻一番1986to2000计算机:x500网络:x340,0002001to2010计算机:x60网络:x4000处理器速度持续提高（广度）从1971年第一颗微处理器Intel4004问世以来，40年间处理器芯片集成的晶体管数目从2300个发展到今天的数十亿个，处理器频率从不到1MHz发展到今天最高接近5GHz，与英特尔4004相比，如今下一代英特尔酷睿处理器的性能是其35万倍，每个晶体管的能耗却降低了5千倍。同期，晶体管的价格下降了约5万倍。在30年间计算机系统的速度提高了6个数量级对计算能力的需求持续增长摩尔定律（1979年）假设芯片价格保持不变，则微处理器芯片上的晶体管数，每隔18-24个月便翻一番假设微处理器价格保持不变，则微处理器速度每隔18-24个月便翻一番假设微处理器速度或芯片内存储器容量不变，则微处理器芯片价格每18-24个月将降低约48%摩尔定律即将终结Intel公司负责内部芯片设计的首席技术官盖尔欣格认为：以地球文明所拥有的材料环境，如果芯片的耗能和散热问题不解决，则：2005年芯片上集成2亿个晶体管，热的像核反应堆到摩尔定律截至年，2010年，就会达到火箭发射时高温气体喷嘴的水平2015年，就会与太阳的表面一样热MemoryCapacity(andCost)havechangeddramaticallyinthelast20years.sizeYearBits10001000010000010000001000000010000000010000000001970197519801985199019952000yearsize(Mb)cyctime19800.0625250ns19830.25220ns19861190ns19894165ns199216145ns199664120ns2000256100nsBasedonSPEED,theCPUhasincreaseddramatically,butmemoryanddiskhaveincreasedonlyalittle.Thishasledtodramaticchangedinarchitecture,OperatingSystems,andProgrammingpractices.CapacitySpeed(latency)‏Logic2xin3years2xin3yearsDRAM4xin3years2xin10yearsDisk4xin3years2xin10yearsCPU与Memroy的性能呈现剪刀差ENIAC-backgroundElectronicNumericalIntegratorAndComputerEckertandMauchlyUniversityofPennsylvaniaTrajectorytablesforweaponsStarted1943Finished1946ToolateforwareffortUseduntil1955据说，每当它开机时，费城西区的电灯黯然失色（功率过大）ENIAC---最早的计算机（1946年）ENIAC----技术细节Decimal(notbinary)‏20accumulatorsof10digitsProgrammedmanuallybyswitches18,000vacuumtubes30tons15,000squarefeet140kWpowerconsumption5,000additionspersecondCommercialComputers1947-Eckert-MauchlyComputerCorporationUNIVACI(UniversalAutomaticComputer)‏BecamepartofSperry-RandCorporationLate1950s-UNIVACIIFasterMorememoryIBM360series1964Replaced(¬compatiblewith)7000seriesFirstplanned“family”ofcomputersSimilaroridenticalinstructionsetsSimilaroridenticalO/SIncreasingspeedIncreasingnumberofI/Oports(i.e.moreterminals)‏IncreasedmemorysizeIncreasedcostEmulatorsforthe7000-/1400-seriesDECPDP-81964FirstminicomputerDidnotneedairconditionedroomSmallenoughtositonalabbench$16,000$100k+forIBM360Embeddedapplications&OEMBUSSTRUCTURE---Unibus(单总线)‏目前最快的计算机（2014年11月）世界最快的500台计算机系统2013年6月No1:天河二号(中国）33860万亿次/秒No2:titan（美国）27112万亿次/秒No3:SequoiaBlueGene/Q,IBM国际超级计算机500强排名(TOP500)‏是美国田纳西大学、伯克利NERSC实验室和德国曼海姆大学一些专家为评价世界超级计算机性能而搞的民间学术活动，1993年开始。每年2次排出世界上实际运行速度最快的前500台计算机。(6月、11月)‏排名的依据是线性代数软件包Linpack的实际测试数据，而峰值浮点运算速度作为参考值列出。No1:天河二号(中国）天河-1A，国防科技大学这是超过美国橡树岭国家实验室产品高达40％的系统。达到每秒４７００万亿次的峰值性能和每秒２５０７万亿次的实测性能。14336颗英特尔六核至强X56702.93GHzCPU、7168颗NvidiaTeslaM2050GPU，以及2048颗自主研发的八核飞腾FT-1000处理器天河一号A将大规模并行GPU与多核CPU相结合，在性能、尺寸以及功耗等方面均取得了巨大进步，是当代异构计算的典型代表。该系统采用了7168颗英伟达™（NVIDIA®）Tesla™M2050GPU以及14,336颗CPU。如果单纯只使用CPU的话，要实现同等性能则需要50,000颗以上的CPU以及两倍的占地面积。更重要的是，如果完全采用CPU打造，可实现2.507Petaflops（千万亿次）性能的系统将消耗1200万瓦特的电力。多亏在异构计算环境中运用了GPU，天河一号A仅消耗404万瓦特的电力，节能效果高达3倍。二者之间的功耗之差足够满足5000多户居民一年的电力所需。三大突破“天河一号”除了使用了英特尔处理器，还首次在超级计算机中使用了2048个我国自主设计的处理器。“飞腾-1000”是64位CPU。它利用65纳米技术设计生产，共有8个核心中国首创了CPU和GPU融合并行的体系结构。关注电脑的人都知道，中央处理器CPU和图形处理器GPU的生产厂商近期先是互相竞争，甚至喊出替代对方的口号，现在却开始出现融合发展的趋势。而这个创意，正是“天河一号”的研制过程中由中国科技人员最先提出并实践的制造了先进的通信芯片，设计了先进的互联结构。160Gb/s，是国际上的商用IB的两倍。Jaguar美洲虎,2.331PflopsCrayXT5-HEOpteronSixCore2.6GHz,近25万个内核科学应用首个对极端气候变化的模拟辅助超新星研究生物和半衰期从光合作用到燃料：新型燃料聚变加快火山爆发模型模拟极端气候No14:神威蓝光：全国产化的超级计算机问世该机器获得科技部863计划支持，由国家并行计算机工程技术研究中心制造，于2011年9月安装于国家超算济南中心，全部采用自主设计生产的CPU(ShenWeiprocessorSW1600)，系统共8704个CPU，峰值1.07016PFlops，持续性能795.9TFlops，Linpack效率74.37%，总功耗1074KW。国家超级计算济南中心是科技部批准成立的全国3个千万亿次超级计算中心之一，由山东省科学院计算中心负责建设、管理和运营。是国内首台全部采用国产中央处理器（CPU）和系统软件构建的千万亿次计算机系统，标志着我国成为继美国、日本之后第三个能够采用自主CPU构建千万亿次计算机的国家。2020年以前超级计算机发展趋势2000年每秒10万亿次浮点运算2005年每秒100万亿次浮点运算2009年每秒1000万亿次浮点运算（Pflop/s）2013年每秒1亿亿次浮点运算2016年每秒10亿亿次浮点运算2020年每秒100亿亿次浮点运算（Eflop/s）基本上每10年左右性能提高1000倍超级计算机发展路线图时间2020年2030年2050年器件CMOS纳米量子器件量子、生物分子计算速度Exaflops(1018)Zettaflops(1021)Yottaflops(1024)并行度109-1