1、谢长生华中科技大学计算机学院计算机科学与工程系信息存储系统国家专业实验室武汉 430074 2002年2月25日于华工l计算机系统结构四个层次的认识l国内系统结构研究的现状l华中科技大学计算机系统结构学科介绍l国内系统结构学科发展机会何在计算机系统结构四个层次的认识计算机系统结构四个层次的认识哲学：信息与数字 数字的力量科学：后图灵理论软硬件的新定义；软硬件互动现象； 终极信念技术：系统结构的AIPSN三角形处理、存储、传输技术前沿与走向应用：无所不在的计算与后台支持； 流式多媒体是未来应用的方向l信息与数字（为什么信息化等于数字化）l数字的极其强大的表达信息的能力l系统结构：研究对数字进行操
2、作的机器系统计算机的结构l输入（获取）：看、听、闻、尝、感l处理：大脑，世间最强大的处理器l传输：声音、手势l存储：大脑l输出（表达）：语言、手势、表情l自然状态的不足l和人类发明了机械和交通技术和工具一样（主要是材料和能量技术），人类也发明了非常丰富多彩的信息技术和工具：l输入（获取）输入（获取）：望远镜、传感器（发展较晚）l处理处理：算筹、算盘、计算器、计算机l传输传输：烽火台、旗语、鼓语、邮递、书籍、交通、电报、电话、无线电、电视、Internetl存储存储：结绳计数、文字、绘画、纸和印刷（非常伟大的发明，现代技术很多方面都没有超过它）、照相、录音、录像、数字存储l输出（表达）输出（表达
3、）：文字、绘画、声音（音响）、图形、图像（显示技术）（包括电影电视）l世纪之交的技术大转移：数字化大转移l时间：世纪之交前后50年l50年前开始，50年后成熟，信息领域数字技术一统天下l目前正是转移的高峰期：l计算机与Internet、数字控制、数字录音、数据通讯（目前主干，即将用户）、数字电视、数字广播、数字相机、数字摄像、数字城市、数字流域、数字地球 . 数字化生存数字化生存l50年后，不是数字的信息产品很难见到（成熟）年后，不是数字的信息产品很难见到（成熟）信息统一于数字！信息统一于数字！l“电”是人类至今为止找到的最佳能量能量媒介（电统治了能量领域）l终于找到了！终于找到了！l“bit
4、”是人类至今为止找到的最佳信息信息媒介（信息统一于数字）l l1.可表达各种信息形式（人能接受的信息：文字、声音、图形、图像、视频；触觉？嗅觉？味觉？ ；机器能接受的信息：电流、电压等）l（“比特”强大的表达能力）l2.可表达人的思想、办法、事物的规律 l（程序的力量）l3.可用单一的形式进行处理、传输、存储l（实现的简单性）l(任何信息设备都是相似的）l数学是抽象描述客观世界的静态符号系统l“比特”在计算机的操作下，成为客观世界动态的符号系统l“bit”表达信息的范围 数学表达信息的范围l所以，计算机始于计算，但高于计算l计算机真正的能力在于对“bit”进行操作（有步骤的处理、传输、存储）l
5、计算科学的开山之作：图灵机模型l希尔伯特问：存不存在一个解决所有数学问题的一般算法？l图灵答道：有！l图灵理论的俗解：l如果不考虑时间，只要对bit进行处理、移动、存储操作，就能解决任何数学计算问题！l这个理论指明了bit的强大功能，也包含了计算机的设计思想l只要对bit进行处理、传输、存储，就能解决几乎一切信息问题！l系统结构的信念：只要处理、传输速度足够快，存储容量足够大，一切信息问题都能解决！（存在着这样的可能性）l这个结论给我们一个信念：l数字化信息世界一定能实现！数字化信息世界一定能实现！l硬件：l转换域硬件：l1、将各种形式的信息转换为数字信息；l2、将数字信息转换为各种形式的信息
6、（图像、声音、文字输入输出设备）l数字域硬件：数字域硬件：对数字进行处理、传输、和存储的硬件（计算机系统结构研究的对象）l处理：对数字进行改变性操作l CPU, DSP, ASIC, 逻辑电路l传输：对数据进行有目的的移动操作l 总线、网络（机器内部网，LAN，WAN，INTERNET，无线网络）l存储：对数据进行不变性的保存 lRAM，ROM，FLASH，硬盘，光盘，存储系统（RAID，NAS，SAN）l（可运行的）思想和内容的数字化l思想：算法、规律、办法（由程序承担）l内容：图形、图像、数据、声音、文字等l各种硬件在数字域都有相同或相似的内脏l各个领域都有自己的软件，但也有共性软件（这就
7、是我们从事计算机行业的人要干的事，系统软件：OS，数据库，普遍使用的应用软件）l独立原理：软件理论上能实现的功能本质上与硬件是独立的（不管硬件是何种形式）l互动原理：软件实际能实现的功能受制于硬件， 硬件发展一个台阶，软件就能发展一大步l数字表示信息的能力是极为强大的l最强大之处在于表达人的思想l人的思想是无限的l所以，利用数字进行创造的可能性也是无限的l只要足够快，就能实现某种创造l历史的回顾 跟随法与超前法l加快处理的速度l加快传输的速度l加大存储的容量和加快存储的速度l加快：1。器件快l 2。结构快（系统结构研究的课题）l利用已有的器件技术，在一定的价格限制下，设计出性能最好的计算机（系
8、统结构的任务）l计算机-数字操作机l器件的变化：机械、继电器、电子管、晶体管、集成电路、LSI、VLSI、ULSI、量子计算机、光计算机、生物计算机系统结构系统结构AIPSN图图系统结构系统结构AIPSN图图总目标：加速总目标：加速AccelerationA：Architecture, Amdalhs lawI: Instruction, Interface P: Processing, ParallelS: Storage, SystemN: Network, coNnectionl处理l以处理器的发展为核心l发展动力：1.晶体管数按摩尔定律增加l 2.频率提高l过去水平（1978）：Int
9、el 8086, 3微米工艺，2.9万个晶体管，6MHzl目前水平（2001）：Alpha 21464, 0.125微米工艺，25000万个晶体管,大与2GHzl将来水平（2005）：10亿晶体管，频率？l现有技术：以指令级并行技术为主l流水线：指令流水线、数据流水线l超标量：多套部件、片内SIMD、VLIWl后RISC、多媒体扩展指令l前沿技术：多个处理核心集成在单个芯片中l 假设价格保持不变，处理器芯片上的晶体管数每18个月翻一番l1979-2001，22年精确的符合l还要符合10年以上l印度舍汉姆国王与大臣的故事（64方格棋）l（最后一个方格放18446744073709551615粒麦
10、子，20位数，要数5840亿年！）世界第一台电子计算机世界第一台电子计算机ENIAC18000个个晶体管晶体管70000电电阻器阻器18000电电容器容器30吨吨Memory Crossbar SwitchMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMM+Vector RegistersxLoad/Store16K I cache16K D cache2-way SuperscalarVectorProcessor4 x 644 x 644 x 644 x 644 x 644 x 64or8 x 32or16 x 164 x 644 x 64QueueInstructionI/OI
11、/OI/OI/OSerialI/Ol 科学计算、商业应用、网络应用对计算能力的需求是单个处理器所无法满足的l解决办法：系统技术l并性处理：多处理器（SMP,cc-NUMA）l 多计算机（MPP，CLUSTER,l GRID)l计算机发展的特点：l1. 无所不在的含有l智能的小装置；l2. 支持服务的后台l巨型计算机l量子计算（最令人鼓舞的进展）l光计算（目前状况，速度快，集成度低）l生物计算（DNA计算机，起步阶段）l半导体存储：RAM, ROM, FLASH 的高速发展l目前硬盘存储：l100GBl2万转/分l实验室水平：l一道一G198019801990199019951995199819
12、981999199920002000PCPC机的主流硬盘机的主流硬盘容量增加容量增加2 2,000,000倍倍10MB100MB500MB4GB10GB20GBl光存储：CD-ROM，DVD，MOl近场光记录，全息存储l爆炸性增长（主要爆发点：多媒体，Internet)- 容量需求l不断的增长-可扩展性需求WirelessOnline VideoE-CommerceCustomer Mgmt.D A T AData AnalysisEnterpriseApplicationsClient/Server70s80s90s00s10sBasic Accounting数据信息爆炸式增长典型的存储容量
13、需求挑战典型的存储容量需求挑战共享处理机共享处理机 共享存储器里的数据共享存储器里的数据Make the common case fast!网站的存储网站的存储：几十万用户同时点击到一个站点：几十万用户同时点击到一个站点去获得海量存储系统中的信息。去获得海量存储系统中的信息。WWW: world wide web 变为变为world wide waitl对很多领域，数据是比硬件设备宝贵得多的资源:l银行、电信、保险、电子商务、网站、企业信息l 信息安全（数据备份，灾难恢复）lDirect attatched storage（DAS）直连存储lCentralized storage 集中式存储l
14、Network-attatched storage(NAS) 附网存储lStorage area networks(SANs) 存域网IBMSUNSymmetrixStorageHub S10/L10Switch F16IntegratedManagement HP JBODs & Arrays TapeLibrariesNTBridge FC4/2High SpeedNetworkHPUX ServersServersSANStorageDevicesFC10FC3012HMC256HP EQUATIONARCHITECTUREHP SureSpanl宽带网络l主干网已完全光纤化（传输容量1
15、0-100Tbps，路由交换10G-1Tbps)l接入网的瓶颈正在攻克(xDSL, ISDN,Cable modem,FTTH)l（Internet movie)l无线网方兴未艾(视频手机，移动计算，Bluetooth技术）不同的应用对计算机的要求是很不一样的不同的应用对计算机的要求是很不一样的科学计算：浮点性能科学计算：浮点性能商业应用：事务处理能力商业应用：事务处理能力网络服务：响应时间、传输能力网络服务：响应时间、传输能力 通用机：综合性能通用机：综合性能不同的应用要用不同类型和不同系统结构的计算机不同的应用要用不同类型和不同系统结构的计算机应用层次应用层次l1.以INTERNET为平台
16、的软件lMicrosoft .NET , I软件（Internet Inside)lJAVA, GRIDl2.智能软件l智能人机界面（语音识别、自然语言理解、手势识别）l3.多媒体与虚拟现实软件l多媒体表达，多媒体查询，VR互动l“be there”三维全息实体显示 l移动多媒体计算l1。无所不在的小装置l2。强大的后台支持结构l哲学层次：数字与信息的关系l科学层次：后图灵原理，认识“bit”强大的力量l工程层次：系统结构研究的内容l 如何设计高性能的计算机l应用层次：计算机的设计及结构特点与 l 应用紧密相关l大学：UCB、CMU、MIT、STANFORDl著名公司：IBM、SUN、HP、C
17、OMPAQl高等院校：国防科技大学（全国重点学科）银河l 清华大学（全国重点学科）l 华中科大（全国重点学科）l 哈工大、西交大、上交大l l研究所：中科院国家高性能计算中心（曙光）l 总参56所（神州）l l一、存储系统结构：l1、并行存储系统（RAID）l2、网络存储系统（NAS、SAN）l3、存储安全：数据备份与灾难恢复l4、超大容量超高密度新型存储技术l二、网络安全l三、机群计算（CLUSTER)l四、多媒体系统技术l校内其他院系：光互连、生物计算机l系统级技术是我们可行的发展方向（如机群系统、存储网络）l多媒体宽带领域（包括无线和有线）是未来几年的机会l移动计算l国家安全提供的机会lD.A. Patterson, John.L. HennessylComputer Architecture:la Quantitative Approachl机械工业出版社影印l参考书：黄锴，可扩展并行计算，技术、结构与编程，机械工业出版社，原版和翻译都有谢谢大家谢谢大家
