并行计算机体系结构：结点、内存与互联网络解析

"第三章 并行计算机的体系结构" 并行计算机的体系结构是理解和开发高效并行算法及程序的基础。这种结构主要由三个核心组件构成：结点、内存和互联网络。结点是并行计算机的基本处理单元，通常包含一个或多个CPU，这些CPU之间可以通过HUB或全互联交叉开关进行通信，并且共享内存。此外，结点还能够直接与外部设备进行输入/输出(I/O)操作。 结点集是并行计算的主要计算部件，它们可以是个人计算机、工作站、对称多处理机(SMP)或刀片服务器。结点中的处理器在过去20多年里经历了快速发展，现在的单片CPU性能远超过去的超级计算机。例如，图3.2展示了一个结点，其中包含两个微处理器，每个处理器有独立的二级高速缓存(L2 cache)，用于提高CPU访问内存的速度。L2 cache根据特定的映射策略工作，为一级缓存提供数据，一级缓存则服务于寄存器，寄存器进一步为CPU的逻辑运算提供数据。 内存是并行计算机存储体系的一部分，它可以是对称分布于互联网络两侧的存储模块（如图3.1所示的SMP架构），也可以分布式地存在于每个结点内部（如图3.2所示）。内存的这种分布方式允许并行程序的不同部分在同一时间被多个CPU访问，从而实现并行处理。 互联网络是并行计算机中各个结点通信的桥梁，它可以是简单的集线器结构，也可以是复杂的交换网络。通过互联网络，结点间可以交换数据和协调计算任务。在图3.2的示例中，多个微处理器通过集线器连接，共享内存和I/O资源，并可能通过路由器与其他结点通信，形成复杂的并行计算环境。 并行计算机的体系结构设计是为了优化大规模并行计算的性能，减少数据传输延迟，提升计算效率。理解这些基本组件及其相互作用对于编写高效的并行程序至关重要，因为这能帮助开发者充分利用硬件资源，解决复杂问题。随着技术的发展，未来并行计算机的体系结构可能会引入更多先进技术，如更高级的缓存层次、更复杂的网络拓扑以及更灵活的内存模型，以适应不断增长的计算需求。