基于CMP的高密度计算机多目标设计方法分析

彭慧

（湖南财政经济学院，湖南长沙 410205）

基于CMP的高密度计算机多目标设计方法分析

彭慧

（湖南财政经济学院，湖南长沙 410205）

基于CMP的高密度计算机的特点是性能高、集成度高、热密度高、复杂性高，因此研制这种面向高端应用的计算机是一项十分复杂的系统工程.在该计算机研制的每一个环节中，都需要同时兼顾多个目标，并使其功能、性能以及可靠性相互制约.因此，在实践中，如何有序展开这方面的权衡设计，是相关工作者亟待解决的重要问题.本文详细阐述了权衡设计方法的重要性，并针对具体设计流程中其性能、功能、可靠性等特点进行研究.

CMP；高密度计算机；多目标；设计方法

近年来，由于计算机技术的迅猛发展，处理器结构也发生了本质变化，逐渐由传统的单核处理器转向多核（chip multiprocessor,CMP）、集成工艺，高密度、高效能计算机也在这一背景下诞生了，其具有高热密度、复杂性及高集成性的特征，将其集中起来并设计成为一项十分复杂的系统工程.针对计算机中每一环节横向上来看，该系统的性能、功能及有效性的设计过程中，都应兼顾多种目标，各目标之间又有着相互联系、相互制约的关系，任何一项功能的增加，与之对应的是器件故障与能耗的不断增加，这将直接导致高频信号的出现率提升，进而对系统的整体可靠性产生不利影响.因此，当系统功耗一定时，应在系统功能的完备性和系统性能的高端之间保持平衡，实现系统的安全、有效运行.在这一背景下，针对基于CMP的高密度计算机多目标设计方法进行分析迫在眉睫，具有划时代的意义.

1 概述

超级计算机已经进入了千万亿次时代，并逐步向万万亿次转变.据相关调查显示，世界前10台计算机的各项性能均达到了每秒1千万亿次的浮点操作（peta floating point operations per second. Pflops），排名第一的实测峰值远远超过了这一标准，达到了8.3 Pflops,计算机的各项性能、规模得到了有效提高，但是超级计算机也面临着性能体积比、可扩展性及性能功耗比等多种问题，提出了多维度、严格的设计目标.“计算机支持下的协同工作”概念的提出，使斯坦福大学的PACT取得了一定程度的进步.现有电磁兼容与设备散热的协同设计都取得了一定成效，但就高密度计算机来说，由于其物理工艺、应用需求及设计目标之间的相互关系不是一成不变的，所涉及到的领域十分广泛，对计算机性能、功能及面积等的协调性和兼顾有着较高的要求，权衡设计方法便应运而生了，其与辅助工具相比，更具适用性.

2 权衡设计方法

2.1 机器结构

超级计算机的构建是基于模块化结构之上的，实现了计算节点的全面设计.从特定性能的计算结点来看，松散型或高密度设计的选择是十分关键的问题.从计算机的性能上看，由于信噪比和系统能耗的原因，限制了系统总线链路的最大线长，使链路的传输延迟相对增加，而高密度设计则更好地保证了总线信号传输的稳定性和完整性，最大限度缩短传输延迟的时间；从系统功能来看，低密度更多的采用市售元件，可选择性较强，有助于设计难度的降低；从系统的结构和散热来看，高密度可节省空间，并易于物理扩展，但与之对应的是热设计难度的不断加大，导致多功能难以实现.

2.2 印制板布局

对印制板进行布局处理时，应始终将功能作为前提条件，对布线工作的是否可行以及是否便捷进行评估，并将印制板的体系结构纳入到整体考虑范围内，同时还应将热密度均匀性、信号完整度对可靠性的影响作为参考.而在具体的设计过程中，应实现物理布局模型、功能模块原理以及热分析三类视图间的电路板自由切换，并要求有关设计人员掌握所有视图中的改变结果，以便更好实现设计优化质量的提升.当在针对处理器互联网的规模、种类等进行挑选并确认无误后，便应注重到印制板的结构与散热设计，并在此基础上进行布局方案设定.

一种布局主要包括三个部分：一是主板部分，主板为左右两板，相互对称，并有插件互连；二是电源部分，电源放置于主板两侧；三是风扇部分，风扇位于主板的前端；另一种布局中的主板为上下两板，8行CPU共16片，呈现“之”字形.

前者具有散热风路畅通、布局规整、线路清晰等特点，但考虑到这一处理器的排列方式为纵向两路，在横向上相对更为狭窄，而纵向则表现出过长的特征，要求加大布线量，给印制板的加工带来较大难度，而后者具有主板热流密度低、面积适中等优点，便于制板.

2.3 芯片选型

计算机芯片不仅可以实现高密度计算机功能与性能，同时也是发热源.因此要重视芯片选型，在其满足计算机功能的基础上，还应同时考虑芯片的体积、性能和功耗等方面.例如在选择通信芯片时，除了要重视其网络连通性，同时要注意芯片的不同幅度性能，因为性能相近的芯片在功耗与体积方面都各有不同.在处理器、芯片组、通信芯片、电源转换芯片等装置型号的选择方面，一般应将上述各类配件的性能、散热性以及具体功用作为对设计方案进行权衡时的关键要素.现以电源转换芯片为例对此加以说明，就下图1中的C布局示意图而言，当其电源的功能水平可很好地满足需求的前提下，可以从两个方面设计优化的电源方案，一是性能方面，二是优化方面，这就导致了两种优化布局的形成，下图2及图3即是对应的两类优化后布局示意图.由图2的C.1示意图可知，电源芯片的位置处于内存条相交区域的间隙内，而在图3的C.2示意图中则不难发现，电源芯片的位置处于在印制板边缘，即内存外侧，一个风道被其单独占用.表1所示为两种方案相对应的电源芯片温控目标.

图3 布局C示意图

图4 布局C.1示意图

图5 布局C.2示意图

在表1中可以得知，两种优化布局方案对应的热设计有较大差异，其具体表现在：第一，考虑到机箱侧壁是否开孔对多个CPU散热功能的影响及作用，由图2可知，该布局方式分别进行了机箱侧壁开孔以及侧壁不开孔的对应设计；第二，通过读图可知，在相同印制板上的多个CPU等设备组件，通过巧妙设计使其共用同一个散热器，确保各器件的温度保持在均衡状态；明显提高；第四，在布局C.2中，主要散热器与前后面板的开孔处于同一风路，在进风时器件能得到直接冷却.

表1 两种布局方案对应的电源选型的温控目标

3 测试与验证

基于CMP的高密度计算机是否能实现预期的高性能、高可靠性、多功能以及较好的可扩展性，主要集中于其权衡设计是否良好.以16路1U Rack高密度计算机为例，该计算机作为性能、功能、散热与结构权衡设计的最终成果，其占地面积为0.46m2，峰值性能为256GFlops，整个计算机的峰值功耗为226W/U.

在对较大规模运行的样机进行测量，发现其单CPU的实测温度在32℃以内，实测功耗在10.2W以内（如表2 所示）.

表2 整机热设计在CPU不同功耗下的散热仿真效果数据表

在现阶段的流通市场上，占据主导地位的计算节点普遍为两路，四路以及更高的计算节点较为少见.表3中以IBM为例，将主流的高性能计算机与本文设计的计算机进行比较，可发现本文设计的计算机明显具有密度高、消耗低的应有优势.

表3 相关计算机的比较

由上表可知，16路1U Rack高密度计算机的权衡设计使相应的复杂功能得到良好满足，不仅能够较为显著地表现出其能效高、功率消耗低的优势，还有应对更高散热压力的较大潜力，其结构与热设计都属于高效解决方案.该计算机的龙芯3B八核CPU与龙芯3ACPU无差异，但其能耗相对更小，预测值为24-27w之间，故而从对CPU的升级层面来看，现有的热设计能够很好地满足现阶段的使用需求，且具有较为优良的扩展性与提升空间.

4 结束语

综上所述，在系统设计过程中，应在时序纵向和环节横向两个方面做出权衡，不断总结和完善，寻求出最具适用性的设计方法，推动高密度计算机各项功能、性能、有效性和可靠性的发展.本文对基于CMP的高效能计算机进行研究，结合国产的多核处理器中所配备的16路高密度计算机的有关研究方法，在权衡设计的理论前提下，对具体设计流程中其性能、功能、可靠性等特点，为基于CMP的高密度计算机多目标设计方法提供了思路与经验.本研究中仍存在部分不足之处，希望后期有更多的专业人士投身到这一相关研究中，在现有研究基础上进行深入探讨，并提出改进意见，为我国计算机以及数据库设计的创新与改革提供理论指导方向.

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