基于CMP的高密度計算機多目標設計方法分析

彭慧

（湖南財政經濟學院，湖南長沙 410205）

基于CMP的高密度計算機多目標設計方法分析

彭慧

（湖南財政經濟學院，湖南長沙 410205）

基于CMP的高密度計算機的特點是性能高、集成度高、熱密度高、復雜性高，因此研制這種面向高端應用的計算機是一項十分復雜的系統工程.在該計算機研制的每一個環節中，都需要同時兼顧多個目標，并使其功能、性能以及可靠性相互制約.因此，在實踐中，如何有序展開這方面的權衡設計，是相關工作者亟待解決的重要問題.本文詳細闡述了權衡設計方法的重要性，并針對具體設計流程中其性能、功能、可靠性等特點進行研究.

CMP；高密度計算機；多目標；設計方法

近年來，由于計算機技術的迅猛發展，處理器結構也發生了本質變化，逐漸由傳統的單核處理器轉向多核（chip multiprocessor,CMP）、集成工藝，高密度、高效能計算機也在這一背景下誕生了，其具有高熱密度、復雜性及高集成性的特征，將其集中起來并設計成為一項十分復雜的系統工程.針對計算機中每一環節橫向上來看，該系統的性能、功能及有效性的設計過程中，都應兼顧多種目標，各目標之間又有著相互聯系、相互制約的關系，任何一項功能的增加，與之對應的是器件故障與能耗的不斷增加，這將直接導致高頻信號的出現率提升，進而對系統的整體可靠性產生不利影響.因此，當系統功耗一定時，應在系統功能的完備性和系統性能的高端之間保持平衡，實現系統的安全、有效運行.在這一背景下，針對基于CMP的高密度計算機多目標設計方法進行分析迫在眉睫，具有劃時代的意義.

1 概述

超級計算機已經進入了千萬億次時代，并逐步向萬萬億次轉變.據相關調查顯示，世界前10臺計算機的各項性能均達到了每秒1千萬億次的浮點操作（peta floating point operations per second. Pflops），排名第一的實測峰值遠遠超過了這一標準，達到了8.3 Pflops,計算機的各項性能、規模得到了有效提高，但是超級計算機也面臨著性能體積比、可擴展性及性能功耗比等多種問題，提出了多維度、嚴格的設計目標.“計算機支持下的協同工作”概念的提出，使斯坦福大學的PACT取得了一定程度的進步.現有電磁兼容與設備散熱的協同設計都取得了一定成效，但就高密度計算機來說，由于其物理工藝、應用需求及設計目標之間的相互關系不是一成不變的，所涉及到的領域十分廣泛，對計算機性能、功能及面積等的協調性和兼顧有著較高的要求，權衡設計方法便應運而生了，其與輔助工具相比，更具適用性.

2 權衡設計方法

2.1 機器結構

超級計算機的構建是基于模塊化結構之上的，實現了計算節點的全面設計.從特定性能的計算結點來看，松散型或高密度設計的選擇是十分關鍵的問題.從計算機的性能上看，由于信噪比和系統能耗的原因，限制了系統總線鏈路的最大線長，使鏈路的傳輸延遲相對增加，而高密度設計則更好地保證了總線信號傳輸的穩定性和完整性，最大限度縮短傳輸延遲的時間；從系統功能來看，低密度更多的采用市售元件，可選擇性較強，有助于設計難度的降低；從系統的結構和散熱來看，高密度可節省空間，并易于物理擴展，但與之對應的是熱設計難度的不斷加大，導致多功能難以實現.

2.2 印制板布局

對印制板進行布局處理時，應始終將功能作為前提條件，對布線工作的是否可行以及是否便捷進行評估，并將印制板的體系結構納入到整體考慮范圍內，同時還應將熱密度均勻性、信號完整度對可靠性的影響作為參考.而在具體的設計過程中，應實現物理布局模型、功能模塊原理以及熱分析三類視圖間的電路板自由切換，并要求有關設計人員掌握所有視圖中的改變結果，以便更好實現設計優化質量的提升.當在針對處理器互聯網的規模、種類等進行挑選并確認無誤后，便應注重到印制板的結構與散熱設計，并在此基礎上進行布局方案設定.

一種布局主要包括三個部分：一是主板部分，主板為左右兩板，相互對稱，并有插件互連；二是電源部分，電源放置于主板兩側；三是風扇部分，風扇位于主板的前端；另一種布局中的主板為上下兩板，8行CPU共16片，呈現“之”字形.

前者具有散熱風路暢通、布局規整、線路清晰等特點，但考慮到這一處理器的排列方式為縱向兩路，在橫向上相對更為狹窄，而縱向則表現出過長的特征，要求加大布線量，給印制板的加工帶來較大難度，而后者具有主板熱流密度低、面積適中等優點，便于制板.

2.3 芯片選型

計算機芯片不僅可以實現高密度計算機功能與性能，同時也是發熱源.因此要重視芯片選型，在其滿足計算機功能的基礎上，還應同時考慮芯片的體積、性能和功耗等方面.例如在選擇通信芯片時，除了要重視其網絡連通性，同時要注意芯片的不同幅度性能，因為性能相近的芯片在功耗與體積方面都各有不同.在處理器、芯片組、通信芯片、電源轉換芯片等裝置型號的選擇方面，一般應將上述各類配件的性能、散熱性以及具體功用作為對設計方案進行權衡時的關鍵要素.現以電源轉換芯片為例對此加以說明，就下圖1中的C布局示意圖而言，當其電源的功能水平可很好地滿足需求的前提下，可以從兩個方面設計優化的電源方案，一是性能方面，二是優化方面，這就導致了兩種優化布局的形成，下圖2及圖3即是對應的兩類優化后布局示意圖.由圖2的C.1示意圖可知，電源芯片的位置處于內存條相交區域的間隙內，而在圖3的C.2示意圖中則不難發現，電源芯片的位置處于在印制板邊緣，即內存外側，一個風道被其單獨占用.表1所示為兩種方案相對應的電源芯片溫控目標.

圖3 布局C示意圖

圖4 布局C.1示意圖

圖5 布局C.2示意圖

在表1中可以得知，兩種優化布局方案對應的熱設計有較大差異，其具體表現在：第一，考慮到機箱側壁是否開孔對多個CPU散熱功能的影響及作用，由圖2可知，該布局方式分別進行了機箱側壁開孔以及側壁不開孔的對應設計；第二，通過讀圖可知，在相同印制板上的多個CPU等設備組件，通過巧妙設計使其共用同一個散熱器，確保各器件的溫度保持在均衡狀態；明顯提高；第四，在布局C.2中，主要散熱器與前后面板的開孔處于同一風路，在進風時器件能得到直接冷卻.

表1 兩種布局方案對應的電源選型的溫控目標

3 測試與驗證

基于CMP的高密度計算機是否能實現預期的高性能、高可靠性、多功能以及較好的可擴展性，主要集中于其權衡設計是否良好.以16路1U Rack高密度計算機為例，該計算機作為性能、功能、散熱與結構權衡設計的最終成果，其占地面積為0.46m2，峰值性能為256GFlops，整個計算機的峰值功耗為226W/U.

在對較大規模運行的樣機進行測量，發現其單CPU的實測溫度在32℃以內，實測功耗在10.2W以內（如表2 所示）.

表2 整機熱設計在CPU不同功耗下的散熱仿真效果數據表

在現階段的流通市場上，占據主導地位的計算節點普遍為兩路，四路以及更高的計算節點較為少見.表3中以IBM為例，將主流的高性能計算機與本文設計的計算機進行比較，可發現本文設計的計算機明顯具有密度高、消耗低的應有優勢.

表3 相關計算機的比較

由上表可知，16路1U Rack高密度計算機的權衡設計使相應的復雜功能得到良好滿足，不僅能夠較為顯著地表現出其能效高、功率消耗低的優勢，還有應對更高散熱壓力的較大潛力，其結構與熱設計都屬于高效解決方案.該計算機的龍芯3B八核CPU與龍芯3ACPU無差異，但其能耗相對更小，預測值為24-27w之間，故而從對CPU的升級層面來看，現有的熱設計能夠很好地滿足現階段的使用需求，且具有較為優良的擴展性與提升空間.

4 結束語

綜上所述，在系統設計過程中，應在時序縱向和環節橫向兩個方面做出權衡，不斷總結和完善，尋求出最具適用性的設計方法，推動高密度計算機各項功能、性能、有效性和可靠性的發展.本文對基于CMP的高效能計算機進行研究，結合國產的多核處理器中所配備的16路高密度計算機的有關研究方法，在權衡設計的理論前提下，對具體設計流程中其性能、功能、可靠性等特點，為基于CMP的高密度計算機多目標設計方法提供了思路與經驗.本研究中仍存在部分不足之處，希望后期有更多的專業人士投身到這一相關研究中，在現有研究基礎上進行深入探討，并提出改進意見，為我國計算機以及數據庫設計的創新與改革提供理論指導方向.

〔1〕李東生，高明倫.高密度集成與單芯片多核系統及其研究進展［J］.半導體技術，2012（02）：89-95.

〔2〕劉宇航，祝明發，崔吉順，等.基于CMP的高密度計算機多目標設計方法［J］.系統工程與電子技術，2012（04）：806-812.

〔3〕王曉軍.基于CMP的高密度計算機多目標設計方法探析［J］.計算機光盤軟件與應用，2014（04）：56-57.

〔4〕李東生.基于高密度計算的多核芯片設計關鍵技術研究［D］.合肥工業大學，2012.

〔5〕李暉.高性能計算機若干關鍵問題研究［D］.中國科學技術大學，2009.

〔6〕張軍華，臧勝濤，單聯瑜等.高性能計算的發展現狀及趨勢［J］.石油地球物理勘探，2010（06）：918-925+936+791-792.

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1673-260X（2015）05-0011-03