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1、计算机系统结构的面临问题课程：计算机系统结构学号：班级：姓名：现代计算机的发展历程可以分为 2 个时代：串行计算时代和并行计算时代。 并行计算是在串行计算的基础上，由一组处理单元组成，处理单元彼此通过相互 之间的通信与协作，共同高速完成一项大规模的计算任务。而每一个计算时代都 是从体系结构的发展开始，然后才是基于该结构的系统软件（特别是编译器与操 作系统）、应用软件的发展，最后随着问题求解和发展而达到顶峰。计算机系统在微电子技术的驱动下,在应用需求的牵引下,快速发展。当前, 计算机体系结构研究突出表现为微处理器体系结构研究,面临着许多新挑战。由 于存储墙效应,微处理器芯片在实际应用中难以提高效
2、率;随着芯片容量增大、频 率提高,芯片的可靠性、功耗控制成为热点问题；并行处理技术从典型的高性能 并行计算机渗透到单芯片多核处理器,面临大量新的挑战性问题。面向体系结构 开展应用算法优化和体系结构支持软件工具的各种技术正在相互融合,新思想、 新技术不断涌现,计算机体系结构技术正处于一个迅速变化的时期。计算机诞生那天起，冯 . 诺依曼体系结构占据着主导地位，几十年来计算 机体系结构理论并没有新理论出现。随着计算机应用范围的迅速扩大，使用计算 机解决的问题规模也越来越大，因此对计算机运算速度的要求也越来越高。而改 进计算机的体系结构是提高计算机速度的重要途径，从而促进了计算机体系结构 的发展，出现
3、了诸如数据流结构、并行逻辑结构、归约结构等新的非冯诺依曼体 系结构。冯 . 诺依曼体系结构是现代计算机的基础，现在大多计算机仍是冯 . 诺依 曼计算机的组织结构，只是作了一些改进而已，并没有从根本上突破冯体系结构 的束缚。冯 . 诺依曼也因此被人们称为“计算机之父”。然而由于传统冯 . 诺 依曼计算机体系结构天然所具有的局限性，从根本上限制了计算机的发展。多年来，冯诺伊曼体系结构为世界众多的科学家精心地构造，而创造了今 天的计算机世界。冯诺伊曼的伟大发明，其核心有三点：（1）二进制；（2）存储模型；（3）一个时刻只有一个操作的串行机制。虽然在计算机界，众多的国家和科研机构、著名的专家在研究多值
4、理论，但 至今没有突破二进制的体系。人们利用了很多存储管理的软件技术和方法，力图 将一维的存储模型改为二维的，但仍然没有逃出冯氏存储模型，没有逃脱存储的 本质是寄存器的结构。但问题在于人们所迫切希望在一个操作时刻有大量的并行 操作，由于冯诺伊曼体系所依据的人类操作行为中的串行相关性机理束缚，使 得在串行机制上进行新的突破将十分困难。主要表现在：操作瓶颈制约：因为冯诺伊曼体系结构本质包括串行性、顺序性的控制机 理。对数据相关和资源的控制和仲裁均是人为决定。因此构成了时间和空间的极 大开销，造成冯氏数据流的拥塞，即为大家熟知的冯诺伊曼瓶颈问题。算法的制约：冯氏体系的很大贡献在于将所有应用问题建立在
5、四则运算和逻 辑运算的组合算法，并以寄存器为基本模型的存储体系上，但它在基本操作的控 制上仍是一种串行机制，不具备构造一个并行算法的基础。在串行的模型上去建 立并行算法，必定会带来本质的困难和效率的损失。存储模型的制约：存储模型在冯诺伊曼体系结构当中是一种被动式的访问 机制，不能真正地体现人类在并行操作行为中经常反映的无破坏性操作和平等交 互赋值运行的需求，因此冯诺伊曼的存储模型结构仅能在运行时以空间为代价 进行复制或以时间为代价进行选择来替代这种制约。这将对提高信息处理能力有 很大的限制。无论是体系还是体系，它们本质上都属于冯诺伊曼体系结构范畴，只是在 指令界面的特征上有所区别而已，因此它们
6、的固有缺陷再所难免。 由于超大规模集成电路的发展，在今天物理器件的发展愈来愈趋近于极限，设计 方法也受到极大的约束的条件下，世纪的计算机究竟是什么样呢？究竟应该从哪 一个技术领域来进行突破，使得人们能站在冯诺伊曼计算机的基础上有一个新 的飞跃和新的发展呢？这是诸多科学家都在着手寻求答案的问题。对并行体系结构的研究 。众所周知，在计算机领域中，并行是实现计算能 力突破的根本手段。由于与并行体系结构相对的是当前使用的串行结构，串行结 构上的效率提升始终不是无限制的，而在嵌入式领域中，专用的并行结构在当前 的技术条件下提升性能和功耗效率已经达到 10-1000 倍。所以，现在不少商业 通用处理器在生
7、产上已经倾向于转向多处理器体系结构，或者CMP,或者SMT, 或者二者兼而有之，而不是仅仅只试图提高单一处理器的IPC，这是一个很大的 转变。然而，并行应用程序的开发是一个缓慢而且费心的过程。只有那些有巨大 的计算需求或者有严格的预算和功耗限制的人才会去开发。虽然目前很多关于并 行编译器和软件开发工具的研究会对设计可用的并行系统有益，但是只有为并行 软件设计出更好的并行系统，才是关键所在。一些早期的研究为新的并行体系结 构作了尝试。原始的数据流结构由于只关注并行而忽略局部性和可预测性而最终 导致失败，但它确实又提供了一个真实的并行结构例子。后来人们又在数据流的 思想上进行了局部性方面的研究，但
8、这方面的工作进行的还远远不够。 像数据流、缓存及前瞻技术的各种组合都值得深入研究。对功耗敏感的体系结构进行研究 。假如计算机性能和容量能够以过去的速 度继续增长，对于功耗敏感的体系结构的研究是十分重要的。对于功耗敏感的体 系结构，静态和动态功耗方面的考虑已成为处理器设计过程中最大的限制。尽管 计算机工作者对于“动态可调整结构”的研究进行了很多的工作，但他们取得的 性能收益正逐渐递减，并且它的复杂性使其难以应用到系统的大部分部件中去。 由于它是以指数级形式上升的，设计先进体系结构和嵌入式应用要时刻考虑功耗 问题，这是很重要的。并且功耗问题和可靠性问题之间的关系非常密切，一定要 一同考虑。设计能够
9、高效开发显示并行的结构 。新结构性能的提升主要来源于开发更 多的并行，因为流水线深度和时钟速率有局限性。显示并行的方法能够用于提高 那些易提取并行性代码的性能。这方面存在很多的挑战，例如：确定片上该集成 何种机制能够提高这部分代码的可扩展性：确定 CMP 中 PE 的最佳粒度：要扩大 那些能够有效地运行在并行结构上的代码类型；找到有效的方法来消除引脚接口 的瓶颈。目前引脚接口的瓶颈已经成为影响性能的一大因素，因为引脚数增长的 速度要远远小于片上可集成的晶体管数目增长的速度。开发隐式并行的大指令窗口的体系结构。开发单线索代码中的隐式并行方 面的研究也十分重要。目前的体系结构可开发的隐式并行与代码中存在的隐式并 行相差有 1-2 个数量级。这方面的研究之所以重要是因为： 第一，绝大多数代码无法显示并行化。 第二，体系结构时钟速率方面的限制也强迫我们必须转向开发更多的并行。 这 些研究领域不能被分割开，在最好的情况下，不是将各种研究机制复杂地组合在 一起，而是应该研究出一种从根本上，简洁的底层机制一次性解决上述问题。
