### 分布并行计算之SMP计算详解
#### 一、SMP计算概述
SMP（Symmetric Multi-Processing）即对称多处理技术，是一种允许多个处理器共享同一个操作系统实例和同一物理内存的计算机架构。它使得所有的中央处理器(CPU)能够平等地访问内存、I/O和其他资源。SMP系统的主要优势在于可以通过增加处理器数量来提升系统的性能。
#### 二、SMP的特征
1. **共享存储器系统**：在SMP系统中，所有的处理器都共享同一个物理内存空间。这意味着任何处理器都可以访问到其他处理器的数据，而无需进行复杂的通信机制。
2. **对称性**：所有的处理器在硬件和软件层面都是平等的。无论是高性能还是低功耗的处理器，在系统中都具有相同的权限和地位。
3. **单地址空间**：SMP系统拥有单一的全局地址空间，这简化了编程模型，使得程序员不必担心数据分布问题。
4. **缓存机制**：为了提高访问速度，SMP系统通常使用缓存来存储最近或最常用的数据和指令。缓存一致性是SMP架构中的一个重要问题，必须确保多个处理器之间的缓存数据保持一致。
5. **利用存储器通信**：由于所有的处理器共享同一个内存，因此可以通过直接读写内存来进行进程间通信，而不是通过传统的消息传递机制。
#### 三、SMP结构
SMP结构的核心在于如何有效地组织和管理多个处理器之间的通信和资源共享。其中，总线结构的SMP占据了市场的主流位置。具体来说：
1. **总线结构**：这是一种常见的SMP设计，其中多个处理器通过共享的总线连接到主内存和其他设备上。这种方式简单易实现，但在处理器数量较多时可能会出现瓶颈问题。
2. **SMP需解决的问题**：
- **可用性**：包括总线、内存和操作系统的故障恢复能力。
- **瓶颈**：如总线和内存的带宽限制。
- **延迟**：尤其是内存访问的延迟。
- **内存带宽**：随着处理器数量的增加，对内存带宽的需求也随之增长。
- **I/O带宽**：高并发操作下的I/O需求。
- **可扩展性**：系统能否随着处理器数量的增长而保持性能的线性增长。
#### 四、SMP实例：Sun Ultra Enterprise 10000
Sun Ultra Enterprise 10000是一款高端SMP服务器，其主要特性包括：
1. **基本信息**：
- 最大支持64个CPU。
- 最大内存容量为64GB。
- 支持至少20TB的硬盘存储。
2. **系统结构**：
- 使用GigaPlane-XB交叉开关作为核心的互连网络，提供12.8GB/s的带宽。
- 每个系统板上都有专用的缓存接口控制器、内存控制器等。
- CPU采用UltraSparc系列，运行频率为250MHz。
- 地址总线与数据总线分离，有助于减少通信延迟。
3. **互连网络Gigaplane-XB**：
- 采用两级交叉开关设计，能够将所有内存和I/O设备统一在一个地址空间内。
- 基于UltraPort Architecture (UPA)标准，提供高达13GB/s的带宽。
- 16×16的DataCrossBar能够同时建立16条数据通路。
4. **扩展性**：
- 可以支持16至64个CPU，以及2GB至64GB的内存。
- 通过CC-NUMA (Cache-Coherent Non-Uniform Memory Access) 结构可以进一步扩展系统规模。
#### 五、SMP的扩展：CC-NUMA结构
CC-NUMA是在SMP基础上发展起来的一种更高级别的扩展架构，旨在解决SMP架构中的可扩展性和成本问题。它的主要特点包括：
1. **可扩展性**：CC-NUMA架构可以将多个SMP节点通过高速互联网络连接起来，形成更大的系统。
2. **减少带宽需求与冲突**：通过让处理器优先访问本地内存来降低对远程内存的依赖，从而减少了对总线和内存带宽的需求。
3. **编程容易性**：相对于非一致性的NUMA架构，CC-NUMA提供了更加简单的编程模型，使得程序员可以更加轻松地开发高效的应用程序。
#### 六、CC-NUMA实例：SGI/Cray Origin 2000
SGI/Cray Origin 2000是一款基于CC-NUMA架构的高性能计算系统，它的目标是实现可扩展性、缓存一致性以及低成本扩展。该系统的特点包括：
1. **系统结构**：使用R10000处理器，并配备高速缓存。
2. **扩展能力**：通过CC-NUMA架构实现了良好的可扩展性。
3. **成本效益**：相比于传统的SMP架构，Origin 2000在扩展成本方面具有明显优势。
通过以上分析可以看出，SMP及其扩展架构CC-NUMA为现代高性能计算系统提供了强大的技术支持。这些架构不仅提高了系统的性能和可扩展性，还降低了编程复杂度，是分布式并行计算领域的重要组成部分。
