并行计算深入解析：Amdahl定律与系统结构

"这篇讲义主要探讨了Amdahl定律在并行计算中的应用，并深入介绍了并行计算的结构、算法和编程。内容涵盖了并行计算机系统的基础、当代并行机系统类型、性能评测、并行算法设计、数值算法、并行程序设计等多个方面。特别提到了Amdahl定律中的固定负载加速公式以及当并行度趋近无穷时的加速比极限。" Amdahl定律是并行计算领域中的一个关键概念，它描述了在并行化处理中系统性能提升的理论上限。定律指出，即使任务可以完全并行化，系统性能的提升也会受到不能并行化的部分（串行部分）的限制。公式S=1/(1-f+p/f)揭示了加速比S与串行部分f和并行部分p之间的关系，其中W s表示串行工作量，W p表示并行工作量。在并行度p不断增大时，如果串行部分f不变，系统的加速比S将趋近于1/f，这意味着无法无限制地通过增加并行度来提高性能。 并行计算涉及硬件结构、算法设计和编程等多个层面。并行计算机系统有多种结构模型，包括共享内存系统（如SMP，Symmetric Multi-Processing）、大规模并行处理系统（MPP）和集群（Cluster）。这些系统具有不同的互连网络，如静态互联网络、动态互联网络和标准互联网络，它们决定了处理器之间的通信效率。 在并行算法设计中，有基础设计原则、一般设计方法和基本设计技术。例如，第四章至第七章可能讨论如何将问题分解为可并行执行的部分，以及如何有效地在多个处理器间分配和同步任务。并行数值算法则关注如何在并行环境中高效地执行计算密集型任务，如基本通信操作、稠密矩阵运算、线性方程组求解和快速傅里叶变换。 并行程序设计是实现并行算法的关键，通常涵盖并行编程模型的选择，如共享存储系统和分布式存储系统编程。此外，还需要考虑并行程序设计环境和工具，以支持调试、性能分析和优化。 在实际应用中，理解Amdahl定律和并行计算的各个方面至关重要，因为这有助于设计出既能充分利用硬件资源又能有效解决复杂问题的并行算法。同时，掌握并行计算的结构、算法和编程技术，可以更好地应对科学和工程领域的高计算需求，从而推动科技进步。