許葵元

（信陽職業(yè)技術學院數學與計算機科學學院 河南·信陽 464000）

目前，處理器結構體系之間由傳統(tǒng)的單核向多核和集成工藝轉變，高效能計算機具有復雜性、高熱密度及高集成性的特征。從時序縱向的角度上來看，其設計應實現(xiàn)多環(huán)節(jié)和目標的高效能及可靠性，他們之間又存在相互制約和相互依存的關系。通常情況下來看，計算機某一功能的增加直接導致集成電路面積和芯片數量的增加，而功率和設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增加，導致系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性大大降低。這就要求設計師合理把握系統(tǒng)可靠性、高端性能及完善的功能之間的關系，并做出準確的判斷和權衡。在這一嚴峻形勢下，深入對CMP基礎上的高密度計算機多目標設計方法進行分析和探討勢在必行，逐漸成為擺在高效能計算機研究人員面前一項亟待解決的新課題。

縱觀高效能計算機的具體設計過程，權衡設計的最佳優(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)秀的設計師來說，權衡設計方法和準確的時機是一項最難把握的因素。計算機系統(tǒng)多項目和環(huán)節(jié)的優(yōu)化過程中，高效能、可靠性強及高密度設計是十分重要的一項工作，而各環(huán)節(jié)的設計師并不屬于同一部門。因此，在各目標的設計過程中，應逐一進行分析，致力于增強高效能計算機的各項性能、功能及復雜性。

一、相關工作

隨著科學技術的發(fā)展，計算機網絡技術已經廣泛應用到人們的生活與工作當中。在計算機網絡系統(tǒng)的規(guī)模、性能及可靠性不斷提高的同時，計算機在設計方面的性能體積比與性能功耗比形成了“高效能”設計困境，為了將這一問題有效解決，筆者結合自身多年的實踐經驗，經過大量的分析與探究，總結出需提高計算機系統(tǒng)性能、可靠性及功能等目標。在我國自主研發(fā)的高科技產品中，龍芯3A處理器片內集成4個64位的四發(fā)射超標量9級流水主頻1GHz的GS464高性能處理器核，具有較強的安全性?？煽匦浴⒖煽啃砸约暗秃哪艿葍?yōu)點?，F(xiàn)階段，國內外已經出現(xiàn)了許多高科技產品，然而對于具有高密度和高效能特點的計算機而言，其物理工藝、運行系統(tǒng)與設計目標都在不斷的變化當中。隨著應用需求的不斷變化，計算機網絡技術涉及到的領域越來越多，例如體系結構、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，才能在協(xié)調工作的基礎上，進一步提高計算機網絡技術。目前，計算機高效能的優(yōu)化問題給高科技產品的研究領域帶來了前所未有的挑戰(zhàn)，同時，在計算機系統(tǒng)中的部分輔助設計軟件，是為了提供協(xié)調環(huán)境而存在的。因此，對于設計師而言，輔助軟件或工具在一定程度上會對整個計算機系統(tǒng)的設計造成影響。

二、權衡設計方法

在設計高效能計算機的過程中，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。對于機箱結構與主板結構而言，計算機系統(tǒng)的性能、功能及可靠性之間的關系十分矛盾，但是又能彼此制約，是相互依存的關系。只有將這三個方面的問題進行綜合考慮，才能實現(xiàn)計算機系統(tǒng)的高效能優(yōu)化目的，這種設計方式在業(yè)內被專業(yè)人士稱為權衡設計。如果將計算機系統(tǒng)的性能、功能、散熱及結構等方面的設計一一展開，將整個設計空間依次遞減，可在很大程度上滿足部分低密度計算機系統(tǒng)的設計要求，但由于高性能且多功能的計算機系統(tǒng)設計方案中，對功耗、空間及散熱壓力的要求極高，而這種設計方式缺乏協(xié)同性，因此不能滿足高效能、高密度、高可靠性的計算機設計工作。如果一定要利用這種方式完成系統(tǒng)的功能設計與性能設計，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，計算機系統(tǒng)的性能與功能的增加，會導致系統(tǒng)的功率與芯片數量隨之增加，從而導致主板的發(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，最終導致器件性能失去效用，造成較大的損失。計算機系統(tǒng)設計的每一個環(huán)節(jié)，都與系統(tǒng)的可靠性有著十分密切的關系，本文主要針對以下幾個方面進行研究。在高密度、高效能、多功能的計算機系統(tǒng)設計中，要注重印制板布局、原理圖、原理框圖、布線、熱設計、性能設計、功能設計及芯片選型等每一個設計環(huán)節(jié)，并及時對設計結構與方案進行調整。但是，在設計實施階段不能調整設計方案。

（一）處理器互聯(lián)網絡的種類和規(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的小同性質。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)網卻具體較強的可續(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)網結構在設計決策中是十分重要的環(huán)節(jié)。首先應當利用互聯(lián)網絡將系統(tǒng)級處理器、主板級處理器與芯片級處理器之間的關系進行整合，實現(xiàn)系統(tǒng)整體性的優(yōu)化，以提高互聯(lián)網效率。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量，利用高效率的互聯(lián)網支持計算機系統(tǒng)的可靠性和可擴展性。充分利用互聯(lián)網絡結構的優(yōu)勢，不僅能給系統(tǒng)提供大量的潛在設計空間，還能滿足當前對系統(tǒng)設計的要求。

（二）機器結構

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

1、從散熱與結構等功能來看，高密度設計有助于擴張物力，便于計算機的管理，促使各單個目標緊密排放，實現(xiàn)空間的有效節(jié)省。但隨著科學技術的不斷進步，高熱密集設計和熱設計難度也逐漸增強，空間限制問題也日趨嚴峻，阻礙了多功能、高效能計算機設計技術的發(fā)展。

2、從計算機的功能結構來看，塔式服務器等低密度設計具有廣闊的設計空間，所采用的器件也較多，且可有效實現(xiàn)多功能系統(tǒng)的構建。通常情況下，所采用的設計種類要遠遠多于其他種類的服務器，促使系統(tǒng)搭建難度逐漸降低。

總體來說，將空芯3A高密度計算機合理設計成為機架式結構，結合塔式和刀片服務器的優(yōu)勢，設計出具有高可靠性、多功能及高效能的計算機系統(tǒng)。

（三）印制板布局

從計算機系統(tǒng)功能的角度出發(fā)，應當將線的合理性、方便性進行綜合考慮；從系統(tǒng)的性能角度出發(fā)，應整體考慮系統(tǒng)結構的合理性和高效性；從系統(tǒng)的可靠性角度出發(fā)，應當將空間限制、信號完整、印制板熱密度進行綜合考慮。只有將系統(tǒng)的機械結構、電氣性能及功能等方面的問題有效解決，才能確保計算機系統(tǒng)的高效性、可靠性與多功能，進而提高計算機系統(tǒng)的應用率及使用效率。如果箱體類型、互聯(lián)網絡的規(guī)模、互聯(lián)網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、結構設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的設計過程中，具有十分重要的作用和意義，其是有效實現(xiàn)計算機各項性能和功能的重要因素，其同樣也是計算機系統(tǒng)的發(fā)熱源。設計師在確保計算機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)網絡正常連接的情況下，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、處理器及電源轉換芯片等的選擇主要是根據其性能、功能及散熱權衡設計中的關鍵權衡點進行的。

結束語：

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，面對高端應用的計算機，開始呈現(xiàn)出高性能、高熱密度、高集成度、高復雜性等特點，使計算機系統(tǒng)的設計成為一項龐大復雜的工程。從時序的縱向角度來看，計算機的體系結構分為概念設計和工程設計兩個階段，而在工程設計中的每一個環(huán)節(jié)都對計算機系統(tǒng)的性能、功能和可靠性有著直接影響；從每一個設計環(huán)節(jié)的橫向角度來看，在設計時需要兼顧計算機系統(tǒng)的性能、功能及可靠性等多個目標，但是這些目標在一定程度上都存在著十分密切的關系。因此，在實踐過程中，應當從時序縱向與環(huán)節(jié)橫向等多個方面對計算機系統(tǒng)的設計進行權衡，以有序的方式展開高密度計算機的研制。本文結合國產的16路高密度多核處理器計算機進行研究，分析了在設計過程中計算機性能、功能與可靠性的權衡設計方法，為高效能計算機的核心部件高密度計算機多目標設計方法提供了思路。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)新我國計算機和數據庫設計技術提供強有力的理論依據。

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