在CMP基礎(chǔ)上的高密度計算機(jī)多目標(biāo)設(shè)計方法分析

許葵元

（信陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)學(xué)與計算機(jī)科學(xué)學(xué)院 河南·信陽 464000）

目前，處理器結(jié)構(gòu)體系之間由傳統(tǒng)的單核向多核和集成工藝轉(zhuǎn)變，高效能計算機(jī)具有復(fù)雜性、高熱密度及高集成性的特征。從時序縱向的角度上來看，其設(shè)計應(yīng)實現(xiàn)多環(huán)節(jié)和目標(biāo)的高效能及可靠性，他們之間又存在相互制約和相互依存的關(guān)系。通常情況下來看，計算機(jī)某一功能的增加直接導(dǎo)致集成電路面積和芯片數(shù)量的增加，而功率和設(shè)備失效概率隨之增加，其反映出的高頻信號和高速信號也相應(yīng)增加，導(dǎo)致系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性大大降低。這就要求設(shè)計師合理把握系統(tǒng)可靠性、高端性能及完善的功能之間的關(guān)系，并做出準(zhǔn)確的判斷和權(quán)衡。在這一嚴(yán)峻形勢下，深入對CMP基礎(chǔ)上的高密度計算機(jī)多目標(biāo)設(shè)計方法進(jìn)行分析和探討勢在必行，逐漸成為擺在高效能計算機(jī)研究人員面前一項亟待解決的新課題。

縱觀高效能計算機(jī)的具體設(shè)計過程，權(quán)衡設(shè)計的最佳優(yōu)化方式還處于不斷摸索階段，且具有一定的難度。對于一個優(yōu)秀的設(shè)計師來說，權(quán)衡設(shè)計方法和準(zhǔn)確的時機(jī)是一項最難把握的因素。計算機(jī)系統(tǒng)多項目和環(huán)節(jié)的優(yōu)化過程中，高效能、可靠性強(qiáng)及高密度設(shè)計是十分重要的一項工作，而各環(huán)節(jié)的設(shè)計師并不屬于同一部門。因此，在各目標(biāo)的設(shè)計過程中，應(yīng)逐一進(jìn)行分析，致力于增強(qiáng)高效能計算機(jī)的各項性能、功能及復(fù)雜性。

一、相關(guān)工作

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到人們的生活與工作當(dāng)中。在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的規(guī)模、性能及可靠性不斷提高的同時，計算機(jī)在設(shè)計方面的性能體積比與性能功耗比形成了“高效能”設(shè)計困境，為了將這一問題有效解決，筆者結(jié)合自身多年的實踐經(jīng)驗，經(jīng)過大量的分析與探究，總結(jié)出需提高計算機(jī)系統(tǒng)性能、可靠性及功能等目標(biāo)。在我國自主研發(fā)的高科技產(chǎn)品中，龍芯3A處理器片內(nèi)集成4個64位的四發(fā)射超標(biāo)量9級流水主頻1GHz的GS464高性能處理器核，具有較強(qiáng)的安全性?？煽匦?、可靠性以及低耗能等優(yōu)點?，F(xiàn)階段，國內(nèi)外已經(jīng)出現(xiàn)了許多高科技產(chǎn)品，然而對于具有高密度和高效能特點的計算機(jī)而言，其物理工藝、運行系統(tǒng)與設(shè)計目標(biāo)都在不斷的變化當(dāng)中。隨著應(yīng)用需求的不斷變化，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)涉及到的領(lǐng)域越來越多，例如體系結(jié)構(gòu)、物理工藝等等，必須要同時重視面積、系統(tǒng)、功耗等多個反面的目標(biāo)，才能在協(xié)調(diào)工作的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。目前，計算機(jī)高效能的優(yōu)化問題給高科技產(chǎn)品的研究領(lǐng)域帶來了前所未有的挑戰(zhàn)，同時，在計算機(jī)系統(tǒng)中的部分輔助設(shè)計軟件，是為了提供協(xié)調(diào)環(huán)境而存在的。因此，對于設(shè)計師而言，輔助軟件或工具在一定程度上會對整個計算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計造成影響。

二、權(quán)衡設(shè)計方法

在設(shè)計高效能計算機(jī)的過程中，需要重點考慮三個方面的問題，一是系統(tǒng)的性能；二是系統(tǒng)的功能；三是系統(tǒng)的可靠性。對于機(jī)箱結(jié)構(gòu)與主板結(jié)構(gòu)而言，計算機(jī)系統(tǒng)的性能、功能及可靠性之間的關(guān)系十分矛盾，但是又能彼此制約，是相互依存的關(guān)系。只有將這三個方面的問題進(jìn)行綜合考慮，才能實現(xiàn)計算機(jī)系統(tǒng)的高效能優(yōu)化目的，這種設(shè)計方式在業(yè)內(nèi)被專業(yè)人士稱為權(quán)衡設(shè)計。如果將計算機(jī)系統(tǒng)的性能、功能、散熱及結(jié)構(gòu)等方面的設(shè)計一一展開，將整個設(shè)計空間依次遞減，可在很大程度上滿足部分低密度計算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計要求，但由于高性能且多功能的計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計方案中，對功耗、空間及散熱壓力的要求極高，而這種設(shè)計方式缺乏協(xié)同性，因此不能滿足高效能、高密度、高可靠性的計算機(jī)設(shè)計工作。如果一定要利用這種方式完成系統(tǒng)的功能設(shè)計與性能設(shè)計，那么極有可能要付出較高的成本，卻只能獲取較低的收益。此外，工作溫度對于計算機(jī)系統(tǒng)的功能、性能及可靠性都有較大影響。從某個方面來說，計算機(jī)系統(tǒng)的性能與功能的增加，會導(dǎo)致系統(tǒng)的功率與芯片數(shù)量隨之增加，從而導(dǎo)致主板的發(fā)熱率與功耗值迅速上升，最終造成器件失去效用。而且，如果系統(tǒng)的工作溫度超出一定的范圍，在高溫環(huán)境下，許多元器件都不能發(fā)揮出自身的性能，最終導(dǎo)致器件性能失去效用，造成較大的損失。計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的每一個環(huán)節(jié)，都與系統(tǒng)的可靠性有著十分密切的關(guān)系，本文主要針對以下幾個方面進(jìn)行研究。在高密度、高效能、多功能的計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計中，要注重印制板布局、原理圖、原理框圖、布線、熱設(shè)計、性能設(shè)計、功能設(shè)計及芯片選型等每一個設(shè)計環(huán)節(jié)，并及時對設(shè)計結(jié)構(gòu)與方案進(jìn)行調(diào)整。但是，在設(shè)計實施階段不能調(diào)整設(shè)計方案。

（一）處理器互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的種類和規(guī)模

在通常情況下，在路徑冗余度、可拓展性、相連度、對稱性及直徑等方面，小同處理器都具有較強(qiáng)的小同性質(zhì)。從功能方面來看，小通往只具備一般的聯(lián)通能力，但是處理器互聯(lián)網(wǎng)卻具體較強(qiáng)的可續(xù)性及連通性，能快速處理好不同單元之間的連通問題；從性能方面來看，選擇高端的處理器互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)在設(shè)計決策中是十分重要的環(huán)節(jié)。首先應(yīng)當(dāng)利用互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)將系統(tǒng)級處理器、主板級處理器與芯片級處理器之間的關(guān)系進(jìn)行整合，實現(xiàn)系統(tǒng)整體性的優(yōu)化，以提高互聯(lián)網(wǎng)效率。然后提升電路工藝水平，增加系統(tǒng)級處理器、主板級處理器與芯片級處理器的數(shù)量，利用高效率的互聯(lián)網(wǎng)支持計算機(jī)系統(tǒng)的可靠性和可擴(kuò)展性。充分利用互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，不僅能給系統(tǒng)提供大量的潛在設(shè)計空間，還能滿足當(dāng)前對系統(tǒng)設(shè)計的要求。

（二）機(jī)器結(jié)構(gòu)

超級計算機(jī)的誕生，在計算節(jié)點的設(shè)計過程中，主要采用傳統(tǒng)的模塊化結(jié)構(gòu)。而對于某一特點的、單獨的節(jié)點來說，其低效能設(shè)計、松散型設(shè)計及高密度設(shè)計都是計算機(jī)設(shè)計中的重要問題。其主要包括兩個方面的內(nèi)容：

1、從散熱與結(jié)構(gòu)等功能來看，高密度設(shè)計有助于擴(kuò)張物力，便于計算機(jī)的管理，促使各單個目標(biāo)緊密排放，實現(xiàn)空間的有效節(jié)省。但隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，高熱密集設(shè)計和熱設(shè)計難度也逐漸增強(qiáng)，空間限制問題也日趨嚴(yán)峻，阻礙了多功能、高效能計算機(jī)設(shè)計技術(shù)的發(fā)展。

2、從計算機(jī)的功能結(jié)構(gòu)來看，塔式服務(wù)器等低密度設(shè)計具有廣闊的設(shè)計空間，所采用的器件也較多，且可有效實現(xiàn)多功能系統(tǒng)的構(gòu)建。通常情況下，所采用的設(shè)計種類要遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于其他種類的服務(wù)器，促使系統(tǒng)搭建難度逐漸降低。

總體來說，將空芯3A高密度計算機(jī)合理設(shè)計成為機(jī)架式結(jié)構(gòu)，結(jié)合塔式和刀片服務(wù)器的優(yōu)勢，設(shè)計出具有高可靠性、多功能及高效能的計算機(jī)系統(tǒng)。

（三）印制板布局

從計算機(jī)系統(tǒng)功能的角度出發(fā)，應(yīng)當(dāng)將線的合理性、方便性進(jìn)行綜合考慮；從系統(tǒng)的性能角度出發(fā)，應(yīng)整體考慮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的合理性和高效性；從系統(tǒng)的可靠性角度出發(fā)，應(yīng)當(dāng)將空間限制、信號完整、印制板熱密度進(jìn)行綜合考慮。只有將系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣性能及功能等方面的問題有效解決，才能確保計算機(jī)系統(tǒng)的高效性、可靠性與多功能，進(jìn)而提高計算機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用率及使用效率。如果箱體類型、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模、互聯(lián)網(wǎng)的種類以及處理器的類型都得到確定之后，可以從印制板散熱密度、散熱裝置、結(jié)構(gòu)設(shè)計及空間限制等方面提出不同的高效能主板布局方案。

（四）芯片的選型

芯片在高效能計算機(jī)的設(shè)計過程中，具有十分重要的作用和意義，其是有效實現(xiàn)計算機(jī)各項性能和功能的重要因素，其同樣也是計算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)熱源。設(shè)計師在確保計算機(jī)各項功能處于正常狀態(tài)的同時，充分考慮到芯片的消耗、體積及自身性能等。以通信芯片為例，其在互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)正常連接的情況下，會選擇較差性能的控制芯片，且各項功能和性能等相同的芯片體積、功能等具有不同的特征。在芯片的選型過程中，通信芯片、芯片組、處理器及電源轉(zhuǎn)換芯片等的選擇主要是根據(jù)其性能、功能及散熱權(quán)衡設(shè)計中的關(guān)鍵權(quán)衡點進(jìn)行的。

結(jié)束語：

綜上所述，在集成工藝不斷發(fā)展的背景下，處理器體系逐漸走向片上多核，面對高端應(yīng)用的計算機(jī)，開始呈現(xiàn)出高性能、高熱密度、高集成度、高復(fù)雜性等特點，使計算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計成為一項龐大復(fù)雜的工程。從時序的縱向角度來看，計算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)分為概念設(shè)計和工程設(shè)計兩個階段，而在工程設(shè)計中的每一個環(huán)節(jié)都對計算機(jī)系統(tǒng)的性能、功能和可靠性有著直接影響；從每一個設(shè)計環(huán)節(jié)的橫向角度來看，在設(shè)計時需要兼顧計算機(jī)系統(tǒng)的性能、功能及可靠性等多個目標(biāo)，但是這些目標(biāo)在一定程度上都存在著十分密切的關(guān)系。因此，在實踐過程中，應(yīng)當(dāng)從時序縱向與環(huán)節(jié)橫向等多個方面對計算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行權(quán)衡，以有序的方式展開高密度計算機(jī)的研制。本文結(jié)合國產(chǎn)的16路高密度多核處理器計算機(jī)進(jìn)行研究，分析了在設(shè)計過程中計算機(jī)性能、功能與可靠性的權(quán)衡設(shè)計方法，為高效能計算機(jī)的核心部件高密度計算機(jī)多目標(biāo)設(shè)計方法提供了思路。筆者希望更多專業(yè)人人士投身到該項研究中，針對文中的不足之處，提出指正建議，為創(chuàng)新我國計算機(jī)和數(shù)據(jù)庫設(shè)計技術(shù)提供強(qiáng)有力的理論依據(jù)。

［1］劉宇航，祝明發(fā)，崔吉順等.基于CMP的高密度計算機(jī)多目標(biāo)設(shè)計方法［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2012，34（4）.

［2］王曉軍.基于CMP的高密度計算機(jī)多目標(biāo)設(shè)計方法探析［J］.計算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用，2014，（4）.

［3］張岐.基于CMP的硬件事務(wù)存儲系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)研究［D］.2013.

［4］張百達(dá)，唐玉華.基于CMP的腦機(jī)接口并行算法的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.計算機(jī)工程與科學(xué)，2009，31（z1）.

［5］胥秀峰，鮑廣宇，黃海燕等.基于CMP系統(tǒng)的并行編程模式研究［J］.計算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2014，（7）.