在CMP基础上的高密度计算机多目标设计方法分析

许葵元

（信阳职业技术学院数学与计算机科学学院 河南·信阳 464000）

目前，处理器结构体系之间由传统的单核向多核和集成工艺转变，高效能计算机具有复杂性、高热密度及高集成性的特征。从时序纵向的角度上来看，其设计应实现多环节和目标的高效能及可靠性，他们之间又存在相互制约和相互依存的关系。通常情况下来看，计算机某一功能的增加直接导致集成电路面积和芯片数量的增加，而功率和设备失效概率随之增加，其反映出的高频信号和高速信号也相应增加，导致系统的可靠性和稳定性大大降低。这就要求设计师合理把握系统可靠性、高端性能及完善的功能之间的关系，并做出准确的判断和权衡。在这一严峻形势下，深入对CMP基础上的高密度计算机多目标设计方法进行分析和探讨势在必行，逐渐成为摆在高效能计算机研究人员面前一项亟待解决的新课题。

纵观高效能计算机的具体设计过程，权衡设计的最佳优化方式还处于不断摸索阶段，且具有一定的难度。对于一个优秀的设计师来说，权衡设计方法和准确的时机是一项最难把握的因素。计算机系统多项目和环节的优化过程中，高效能、可靠性强及高密度设计是十分重要的一项工作，而各环节的设计师并不属于同一部门。因此，在各目标的设计过程中，应逐一进行分析，致力于增强高效能计算机的各项性能、功能及复杂性。

一、相关工作

随着科学技术的发展，计算机网络技术已经广泛应用到人们的生活与工作当中。在计算机网络系统的规模、性能及可靠性不断提高的同时，计算机在设计方面的性能体积比与性能功耗比形成了“高效能”设计困境，为了将这一问题有效解决，笔者结合自身多年的实践经验，经过大量的分析与探究，总结出需提高计算机系统性能、可靠性及功能等目标。在我国自主研发的高科技产品中，龙芯3A处理器片内集成4个64位的四发射超标量9级流水主频1GHz的GS464高性能处理器核，具有较强的安全性。可控性、可靠性以及低耗能等优点。现阶段，国内外已经出现了许多高科技产品，然而对于具有高密度和高效能特点的计算机而言，其物理工艺、运行系统与设计目标都在不断的变化当中。随着应用需求的不断变化，计算机网络技术涉及到的领域越来越多，例如体系结构、物理工艺等等，必须要同时重视面积、系统、功耗等多个反面的目标，才能在协调工作的基础上，进一步提高计算机网络技术。目前，计算机高效能的优化问题给高科技产品的研究领域带来了前所未有的挑战，同时，在计算机系统中的部分辅助设计软件，是为了提供协调环境而存在的。因此，对于设计师而言，辅助软件或工具在一定程度上会对整个计算机系统的设计造成影响。

二、权衡设计方法

在设计高效能计算机的过程中，需要重点考虑三个方面的问题，一是系统的性能；二是系统的功能；三是系统的可靠性。对于机箱结构与主板结构而言，计算机系统的性能、功能及可靠性之间的关系十分矛盾，但是又能彼此制约，是相互依存的关系。只有将这三个方面的问题进行综合考虑，才能实现计算机系统的高效能优化目的，这种设计方式在业内被专业人士称为权衡设计。如果将计算机系统的性能、功能、散热及结构等方面的设计一一展开，将整个设计空间依次递减，可在很大程度上满足部分低密度计算机系统的设计要求，但由于高性能且多功能的计算机系统设计方案中，对功耗、空间及散热压力的要求极高，而这种设计方式缺乏协同性，因此不能满足高效能、高密度、高可靠性的计算机设计工作。如果一定要利用这种方式完成系统的功能设计与性能设计，那么极有可能要付出较高的成本，却只能获取较低的收益。此外，工作温度对于计算机系统的功能、性能及可靠性都有较大影响。从某个方面来说，计算机系统的性能与功能的增加，会导致系统的功率与芯片数量随之增加，从而导致主板的发热率与功耗值迅速上升，最终造成器件失去效用。而且，如果系统的工作温度超出一定的范围，在高温环境下，许多元器件都不能发挥出自身的性能，最终导致器件性能失去效用，造成较大的损失。计算机系统设计的每一个环节，都与系统的可靠性有着十分密切的关系，本文主要针对以下几个方面进行研究。在高密度、高效能、多功能的计算机系统设计中，要注重印制板布局、原理图、原理框图、布线、热设计、性能设计、功能设计及芯片选型等每一个设计环节，并及时对设计结构与方案进行调整。但是，在设计实施阶段不能调整设计方案。

（一）处理器互联网络的种类和规模

在通常情况下，在路径冗余度、可拓展性、相连度、对称性及直径等方面，小同处理器都具有较强的小同性质。从功能方面来看，小通往只具备一般的联通能力，但是处理器互联网却具体较强的可续性及连通性，能快速处理好不同单元之间的连通问题；从性能方面来看，选择高端的处理器互联网结构在设计决策中是十分重要的环节。首先应当利用互联网络将系统级处理器、主板级处理器与芯片级处理器之间的关系进行整合，实现系统整体性的优化，以提高互联网效率。然后提升电路工艺水平，增加系统级处理器、主板级处理器与芯片级处理器的数量，利用高效率的互联网支持计算机系统的可靠性和可扩展性。充分利用互联网络结构的优势，不仅能给系统提供大量的潜在设计空间，还能满足当前对系统设计的要求。

（二）机器结构

超级计算机的诞生，在计算节点的设计过程中，主要采用传统的模块化结构。而对于某一特点的、单独的节点来说，其低效能设计、松散型设计及高密度设计都是计算机设计中的重要问题。其主要包括两个方面的内容：

1、从散热与结构等功能来看，高密度设计有助于扩张物力，便于计算机的管理，促使各单个目标紧密排放，实现空间的有效节省。但随着科学技术的不断进步，高热密集设计和热设计难度也逐渐增强，空间限制问题也日趋严峻，阻碍了多功能、高效能计算机设计技术的发展。

2、从计算机的功能结构来看，塔式服务器等低密度设计具有广阔的设计空间，所采用的器件也较多，且可有效实现多功能系统的构建。通常情况下，所采用的设计种类要远远多于其他种类的服务器，促使系统搭建难度逐渐降低。

总体来说，将空芯3A高密度计算机合理设计成为机架式结构，结合塔式和刀片服务器的优势，设计出具有高可靠性、多功能及高效能的计算机系统。

（三）印制板布局

从计算机系统功能的角度出发，应当将线的合理性、方便性进行综合考虑；从系统的性能角度出发，应整体考虑系统结构的合理性和高效性；从系统的可靠性角度出发，应当将空间限制、信号完整、印制板热密度进行综合考虑。只有将系统的机械结构、电气性能及功能等方面的问题有效解决，才能确保计算机系统的高效性、可靠性与多功能，进而提高计算机系统的应用率及使用效率。如果箱体类型、互联网络的规模、互联网的种类以及处理器的类型都得到确定之后，可以从印制板散热密度、散热装置、结构设计及空间限制等方面提出不同的高效能主板布局方案。

（四）芯片的选型

芯片在高效能计算机的设计过程中，具有十分重要的作用和意义，其是有效实现计算机各项性能和功能的重要因素，其同样也是计算机系统的发热源。设计师在确保计算机各项功能处于正常状态的同时，充分考虑到芯片的消耗、体积及自身性能等。以通信芯片为例，其在互联网络正常连接的情况下，会选择较差性能的控制芯片，且各项功能和性能等相同的芯片体积、功能等具有不同的特征。在芯片的选型过程中，通信芯片、芯片组、处理器及电源转换芯片等的选择主要是根据其性能、功能及散热权衡设计中的关键权衡点进行的。

结束语：

综上所述，在集成工艺不断发展的背景下，处理器体系逐渐走向片上多核，面对高端应用的计算机，开始呈现出高性能、高热密度、高集成度、高复杂性等特点，使计算机系统的设计成为一项庞大复杂的工程。从时序的纵向角度来看，计算机的体系结构分为概念设计和工程设计两个阶段，而在工程设计中的每一个环节都对计算机系统的性能、功能和可靠性有着直接影响；从每一个设计环节的横向角度来看，在设计时需要兼顾计算机系统的性能、功能及可靠性等多个目标，但是这些目标在一定程度上都存在着十分密切的关系。因此，在实践过程中，应当从时序纵向与环节横向等多个方面对计算机系统的设计进行权衡，以有序的方式展开高密度计算机的研制。本文结合国产的16路高密度多核处理器计算机进行研究，分析了在设计过程中计算机性能、功能与可靠性的权衡设计方法，为高效能计算机的核心部件高密度计算机多目标设计方法提供了思路。笔者希望更多专业人人士投身到该项研究中，针对文中的不足之处，提出指正建议，为创新我国计算机和数据库设计技术提供强有力的理论依据。

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