1、并行计算机组织与设计：原理、挑战与未来趋势

并行计算机组织与设计：原理、挑战与未来趋势

1. 计算机架构领域的变革与并行架构的崛起

计算机架构领域正经历着快速的变革，自20世纪90年代中期以来，计算系统在速度和可靠性方面取得了显著的进步，这主要得益于技术的改进、更快的时钟频率和更深的流水线。这些进步使得高性能计算普及到大众，推动了互联网革命，并在各个领域提高了生产力。然而，这种快速的进步可能在未来难以持续。随着流水线深度达到极限，由于功耗限制，时钟频率也无法无限提高。

随着技术的发展和芯片特征尺寸的缩小，除了传统的成本、面积和性能指标外，可靠性、复杂性以及功耗/能量问题已成为计算机设计中的首要考虑因素。这些趋势促使并行处理和并行架构迎来了复兴，因为它们被认为是解决当前和可预见的架构问题的明确途径，甚至是唯一途径。如今，人们普遍认为，如果不能释放和利用并行处理的力量，计算领域将很快发生巨大变化，这将对社会产生深远影响。因此，无论是工业界还是学术界，对并行架构的兴趣已从工程上的好奇转变为绝对的必要。

2. 并行架构的多层面应用与重要性

在现代计算机系统中，各级别的并行性逐渐成为解决瓶颈问题的主要方法。
- 多处理器架构 ：通过简单地连接多个处理器来提供可扩展的性能，几十年来一直是高端系统的支柱。多处理器利用线程级并行性（TLP），为计算机图形、科学/工程计算、数据库管理和电信服务等大量线程的应用领域提供了支持。
- 微架构 ：多年来，通过架构和编译器技术的进步，从指令级并行性（ILP）中获得了卓越的性能。
- 内存系统架构 ：为了跟上处理器的指令吞吐量，能够同时