高级计算机系统结构  081201M05002H

学期:2020—2021学年(春)第二学期 | 课程属性:专业普及课 | 任课教师:沈海华
授课时间: 星期一,第3、4 节
授课地点: 教一楼114
授课周次: 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13
授课时间: 星期三,第3、4 节
授课地点: 教一楼114
授课周次: 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13
课程编号: 081201M05002H 课时: 40 学分: 2.00
课程属性: 专业普及课 主讲教师:沈海华 助教:
英文名称: Advanced Computer Architecture 召集人:

教学目的、要求

教学目的和要求:
    本课程为计算机体系结构学科研究生的专业普及课。本课程讲授和讨论计算机系统结构基础及前沿研究领域的主要思想和关键技术。主要内容包括三部分,即高级计算机系统组成原理:指令集架构设计、主存储器设计、闪存、非易失性存储器设计及其对存储系统层次结构的影响,高级处理器设计技术:高速缓存一致性实现、片上多核处理器访存一致性模型、片上网络设计、GPU设计,计算机系统性能优化:计算机系统性能优化工程、可靠性与可用性、功耗管理技术,并介绍了目前大型互联网服务行业普遍采用的数据中心设计技术等。
    高级计算机系统结构课程是从事计算机硬件和系统软件的研究人员必须学习的一门重要专业基础课。通过本课程的学习,学生能够了解计算机系统结构经典技术及前沿研究领域发展,掌握该领域的关键技术及最新研究成果,为学生未来更好地从事计算机软硬件设计打下坚实的基础。

预修课程

计算机体系结构

教 材

自编讲义

主要内容

第一章  引言
1.1 图灵机模型与计算复杂性问题
1.2 高级计算机系统结构课程的内涵和外延
第二章  计算机系统结构发展历程
2.1  计算机系统结构设计的主要量化指标及其演变过程
2.2  计算机系统结构发展瓶颈及其成因
2.3  计算机系统结构发展的未来趋势
第三章  高级指令集架构(ISA)设计
3.1 What Are the Elements of an ISA?
3.2 ISA Principles and Tradeoffs
3.3 From ISA to Microarchitecture
第四章  Cache vs. Main Memory
4.1 Cache设计及其优化技术
4.2 主存储器设计及其优化技术
4.3 Buses-Connecting I/O Devices to CPU/Memory
第五章  高级存储系统
5.1  Flash Storage设计及其优化
5.2  NVM(non-volatile memory) 技术及其发展趋势
5.3  新型存储材料支持下的Memory Systems & Virtual Memory讨论
第六章  Multithreading Architectures
6.1 Multithreading: Policies & Costs
6.2 Hyper-threading
6.3 SMT (Simultaneous Multithreading)
6.4 CMP (Chip multiprocessors)
第七章  On-Chip Networks
7.1 On-Chip Networks Topology
7.2 Routing & Flow Control
7.3 Switch Microarchitecture & Routing Algorithms
第八章  Cache Coherence
8.1 Coherence & Consistency
8.2 Implementing Cache Coherence
8.3 Directory-Based Cache Coherence
第九章  Memory Consistency Models
9.1 Sequential Consistency 
9.2 Relaxed Memory Models
9.3 Transactional Memory
第十章  GPU (Graphics Processing Units)
10.1 GPU架构设计及其优化技术
10.2 GPU ISA and Compilation
第十一章 性能工程(Performance Engineering)
11.1 What is Performance Engineering?
11.2 Performance Metrics & Analysis
11.3 How to measure a real system?
11.4 How many tools can profile the way a system/app behaves?
第十二章  Availability & Reliability
12.1 What is availability & reliability?
12.2 The principles of high availability
12.3 Design optimizations about availability & reliability
第十三章  Power Management
13.1 Power Consumption in ICs
13.2 Power Metrics
13.3 Typical Power Management & Optimization Approaches
第十四章  Datacenter 
14.1 Motivation for Internet-scale Services & Datacenters
14.2 DC Hardware/Software Overview
14.3 DC performance, availability & reliability
14.4 DC: Power, Energy, & Cooling

参考文献

主要参考书:
[1].	计算机体系结构:量化研究方法 (英文版.第5版)John L. Hennessy,David A. Patterson ,《Computer Architecture: A Quantitative Approach (Fifth Edition)》,机械工业出版社
[2].	计算机体系结构、CPU/GPU设计、编译、存储系统相关的国际顶级期刊会议论文集。