結合硬件的發展歷史,談談你對高性能計算機發展的看法

1、結合硬件的發展歷史,談談你對高性能計算機發展的看法。

隨着計算機硬件的發展,上世紀90年代以來,以高性能計算機爲基礎的計算科學得到了長足的發展,它與理論科學和實驗科學相輔相成、彼此印證,成爲人類科學研究必不可少的方法之一。在許多工業領域,如汽車、航空航天器的設計製造,石油勘探、地震資料處理及國防(核爆炸模擬)等,科學計算已經成爲首選研究方法。在教育、科研領域,高性能計算有着更廣泛的施展空間,在生命科學、材料設計、氣象氣候研究等學科中已成爲科學研究的必備工具。與國際高性能計算機的使用相比,中國的高性能計算的工業應用程度不高,其中以石油勘探/地震資料處理最爲成功(但現在越來越多的ISV支持PC Cluster,使高端市場受到很大沖擊)。目前中國的高性能計算市場更多地集中在教育(高校)和科研(中科院、氣象單位等)領域。

2、瞭解Amdahl定理,該定理在多核時代有怎樣的影響


系統中某一部件由於採用某種改進的執行方式後,整個系統的性能提高了,其衡量指標爲加速比。


   Amdahl定律的表示:

   加速比=(採用改進措施後的性能)÷(沒有采用改進措施前的性能)

= (沒有采用改進措施前執行某任務的時間) ÷ (採用改進措施後執行某任務的時間)

Amdahl定律的描述:

計算機科學中的一個重要定律。描述:系統中某部件由於採用某種方式使系統性能改進後,整個系統性能的提高與該方式的使用頻率或佔總的執行時間的比例有關。

主要應用:改善“系統瓶頸”性能。

Amdahl定律定義了加速比:加速比=採用改進措施後性能/未採用改進措施前的性能=未採用改進措施前執行某任務時間/採用改進措施後執行某任務的時間n個處理器加速因子S=n/[1+(n-1)f]:f爲非平行百分比,n越大,S不能超過1/f阿姆達爾定律不可並行計算的存在是很重要的,因爲它將限制並行化的潛在好處。阿姆達爾定律指明如果一個計算的1/S本質上是順序的,那麼最大的性能改進將受限於因數S。其論證如下,一個並行計算的執行時間TP將是順序部分計算時間和可並行化部分計算時間兩者的和。如果該計算順序地執行需要花費的時間是TS,則當有P個處理器時,TP可表示爲S=n/[1+(n-1)f]假想P值非常大,使得可並行化部分的執行時間可以忽略不計,則最大可改進的性能將是因數S。也就是說,順序執行代碼在計算中所佔的比例決定了使用並行手段所能改進性能的潛力。

Amdahl主要的用途是指出了在計算機體系結構設計過程中,某個部件的優化對整個結構的優化幫助是有上限的.也從另外一個方面說明了在體系結構的優化設計過程中,應該挑選對整體有重大影響的部件來進行優化,以得到更好的結果。

   阿姆達爾定理得到廣泛應用並引出一些重要的推論,例如:

  ● 指出常見情形的問題所在:當f較小時,優化不會有多少效果。


  ● 一些被忽略的因素也會限制加速比:當S接近無窮大時,總體加速比的上限是1/1-f)。

   四十年前,基恩·阿姆達爾(Gene Amdahl)在並行使用n個處理器(內核)的特殊情形下,定義了阿姆達爾定理,聲稱單處理器可以實現大規模計算能力 [1]。他採用一個限制變量f,假設程序的執行時間某一部分f可以無限並行化,並且沒有調度開銷;而剩餘部分1-f則是完全串行的。他沒有給出一個方程式,而是直接指出n個處理器的加速比。最後,阿姆達爾指出1-f的典型值通常都大到使單處理器更具優勢。阿姆達爾定理的論點雖然簡單,但是在當時是成立的,例如那時裝備了一至幾個處理器的大型機主宰了計算機世界。這些論點在隨後的小型機和個人機的時代裏仍然基本成立。隨着最近的技術潮流推動我們進入多核時代,阿姆達爾定理依然有用。阿姆達爾公式中其實還假設了計算問題的規模在改進的機器上不發生變化,也就是說程序中可被並行化的部分是固定的。約翰·古斯塔夫森(John Gustafson)認爲阿姆達爾定理不適用於大規模並行機,原因在於這些大規模並行機可以開啓原來被認爲在時間限制下不可並行化的部分計算任務[2]。一臺具備更強大並行計算能力的機器支持在同樣時間裏對更大的數據集進行操作。當古斯塔夫森的論點適用時,計算任務中將有足夠並行性可利用。但我們認爲,即使在相對悲觀的阿姆達爾假設下,健壯的通用多核系統設計也可以良好運行。


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