金海:未來計算機體系結構的發展方向

2020-11-28 DOIT

2012年10月29日-31日,由中國計算機學會主辦的 「2012年全國高性能計算學術年會」(HPC China 2012)在湖南省張家界陽光酒店召開。本屆盛會圍繞著高性能計算技術的研究進展與發展趨勢、高性能計算的重大應用等主題展開,促進信息化與工業化的深度 融合,為相關領域的學者提供交流合作、發布最前沿科研成果的平臺,推動中國高性能計算的發展。

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高性能計算學術年會第二天,來自華中科技大學的金海教授發表了主題為「新型計算機體系結構及多核眾核技術的發展及其對策」的演講。

華中科技大學的金海教授

目前計算機的體系結構

金海教授介紹了目前計算機體系結構的幾個特點,第一點目前計算機都是複雜的CPU結構,多核多線程。第二點異構系統,採用CPU+GPU的方式。第三點數據局部性強,時間和空間局部性強。單個任務計算量大,CPU,Memory,DISK性能不平衡。編程模型(MPI,OpenMP)複雜,可靠性要求高,能耗高。上述幾點是目前計算機上所處的狀態。那麼在未來的發展中,計算機的體系結構也在逐漸的改變著,未來面向大數據的到來,計算機也面臨著很多挑戰。

未來計算機的體系結構

1、從應用上來說

未來的計算機系統面向大數據處理,對於IO需求量很大,數據的大量是的Cash的作用變差,要求CPU和磁碟的均衡發展。
目前,有了集中體系結構的應對,左上角是CPU+GPU的結構,把CPU+GPU集成在一個晶片中,而不是採用獨立顯卡;採用可重構的方式,改變了核和Cach時間的連結。
第二個變化:面向移動網際網路
體系結構的變化是兩個極端的趨勢,在移動網際網路中,功能、能耗是兩大重點關注點。CPU和體系結構有什麼而變化呢?
終端更加多種多樣,應用更加多樣化。

2、從硬體上來說

新材料的出現
以存儲系統為例,各層次湧現出新興存儲介質(如下圖所示)

存儲新型材料

 

前段時間,日本人研究出了石英玻璃存儲,存儲時間得到大幅提升。這些新的存儲材料的出現也使得我們計算機的存儲性能得到解決,也是未來存儲的一個突破口。

另一個存儲技術就是3D堆疊的計算存儲耦合結構,現在IBM已經能夠出現100層存儲結構的堆疊,而這一塊也是我們國家的弱點,我們現在對於新興材料存儲的研究偏少。

3D堆疊結構存儲

 

業界動態

金海教授表示,在未來混合架構的APU將成為主流。豐富的片內、片間多層次並行性。更低的尺寸(10nm),更低的能耗。超大的規模。除此之外我們看到現在ARM在伺服器領域的嶄露頭角,也預示著,未來移動計算向高性能計算的邁進。我們看到新型的計算機結構不是在做加法更多的是在做減法,那同樣在演變的過程中會遇到很多問題,首先是多核和眾核環境的挑戰,系統結構層面的挑戰,系統軟體層面的挑戰,新需求來帶的挑戰,大數據處理遞來的挑戰,移動計算帶來的挑戰,等等這一系列的挑戰,我們在未來的計算機結構的發展上還需要做好充分的準備。

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