張家芳

摘 要：現(xiàn)在，高性能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能在不斷地改善，而且其硬件的功能越來越完善，所以，提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性是十分重要的。本文通過分析高性能計(jì)算機(jī)的可靠性技術(shù)，分析高性能計(jì)算機(jī)在進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)的過程中的可靠性的現(xiàn)狀，并結(jié)合避錯(cuò)技術(shù)、靜態(tài)冗余等技術(shù)，分析不同的可靠性技術(shù)在計(jì)算機(jī)中的實(shí)際應(yīng)用，提高高性能計(jì)算機(jī)在使用過程中的可靠性。

關(guān)鍵詞：高性能計(jì)算機(jī)；可靠性；避錯(cuò)；冗余

現(xiàn)在，高性能計(jì)算機(jī)的運(yùn)行效率越來越高，而且，其處理器的數(shù)量也是越來越多，現(xiàn)在硬件系統(tǒng)的功能越來越強(qiáng)大，但是，隨之而來的是計(jì)算機(jī)的可靠性下降，系統(tǒng)在使用時(shí)會(huì)發(fā)生各類故障。尤其是在大規(guī)模的高性能計(jì)算機(jī)中，由于硬件的功能多，所以，導(dǎo)致的故障也是多種多樣的，而且，故障一旦發(fā)生后，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)都不能繼續(xù)運(yùn)行。所以，為了能夠確保計(jì)算機(jī)的性能，并提高其使用的可靠性，有必要對(duì)計(jì)算機(jī)的可靠性技術(shù)進(jìn)行研究。

1 高性能計(jì)算機(jī)的可靠性需求

可靠性指的是系統(tǒng)能夠平穩(wěn)運(yùn)行的基礎(chǔ)，一般是確保系統(tǒng)在長時(shí)間內(nèi)部出現(xiàn)故障，而且，現(xiàn)在，計(jì)算機(jī)的功能越來越完善，這就導(dǎo)致了計(jì)算機(jī)的可靠性下降。高性能的計(jì)算機(jī)，其處理器的數(shù)量也是比較多的，處理數(shù)據(jù)的效率非常高。通過對(duì)高性能計(jì)算機(jī)使用情況的分析，可以看出，其在每個(gè)小時(shí)內(nèi)都會(huì)出現(xiàn)不同的故障，所以，計(jì)算機(jī)在運(yùn)行中都是通過重啟的方式使計(jì)算機(jī)的運(yùn)行恢復(fù)正常的。從計(jì)算機(jī)的芯片性能進(jìn)行分析，計(jì)算機(jī)的芯片規(guī)模越來越大，導(dǎo)致了處理器內(nèi)會(huì)發(fā)生各類故障。

2 高性能計(jì)算機(jī)可靠性技術(shù)的現(xiàn)狀分析

在提高高性能計(jì)算機(jī)可靠性的時(shí)候，一般是使用避錯(cuò)技術(shù)和容錯(cuò)技術(shù)。避錯(cuò)技術(shù)能夠通過完善計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)，防止硬件在運(yùn)行過程中產(chǎn)生錯(cuò)誤。容錯(cuò)技術(shù)是保障計(jì)算機(jī)在發(fā)生局部的故障時(shí)不影響整體的運(yùn)行。容錯(cuò)技術(shù)還包括靜態(tài)冗余和動(dòng)態(tài)冗余兩種，在對(duì)高性能計(jì)算機(jī)進(jìn)行容錯(cuò)時(shí)，一般采用的是靜態(tài)冗余的方式。

2.1 避錯(cuò)技術(shù)

避錯(cuò)技術(shù)主要指的是在對(duì)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的過程中，盡量能夠?qū)τ?jì)算機(jī)的故障進(jìn)行控制，防止故障在系統(tǒng)中蔓延，防止其他的零部件不能運(yùn)行。按照相關(guān)的體系，計(jì)算機(jī)中的零部件的失效與其使用的環(huán)境、工作的溫度等因素密切相關(guān)，所以，避錯(cuò)技術(shù)重點(diǎn)是對(duì)零部件的設(shè)計(jì)，控制好零部件運(yùn)行時(shí)的溫度，使零部件運(yùn)行能夠在良好的環(huán)境下。在實(shí)現(xiàn)高性能計(jì)算機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行中，一般在選擇零部件時(shí)都選擇那些可靠性比較高的，將零部件集成使用，這樣就能夠減少零部件的數(shù)量，在故障處理中也是比較方便的。例如，在CEC單元中，其零部件主要包括處理器、存儲(chǔ)器、I/O幾口等，這些零部件通過集成的方式形成一個(gè)整體，就能夠減少故障發(fā)生時(shí)的影響區(qū)域。

現(xiàn)在，高性能計(jì)算機(jī)的功能在不斷地完善，所以，其會(huì)產(chǎn)生更大的能耗量，所以，在系統(tǒng)產(chǎn)生能耗時(shí)會(huì)產(chǎn)生很多熱量，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生故障，在提高計(jì)算機(jī)可靠性時(shí)，應(yīng)該充分考慮到零部件使用的熱環(huán)境。各類零部件在使用時(shí)，如果長時(shí)間處于運(yùn)行的狀態(tài)，那么，其結(jié)溫就會(huì)一直增加，導(dǎo)致零部件的故障頻發(fā)。為了能夠降低零部件在使用中溫度的升高，就要選擇那些低熱阻的裝備，并且采用高效的冷卻方法。例如，在數(shù)據(jù)的傳輸過程中，當(dāng)指令也完成了發(fā)布后，這時(shí)不能夠改變串行口的設(shè)計(jì)狀態(tài)，由于硬件反應(yīng)速度比較慢，如果強(qiáng)制性的改變串行口的設(shè)置狀態(tài)，那么就會(huì)使一些信息丟失。所以，在實(shí)際的應(yīng)用中，應(yīng)該等到發(fā)送完成后，再改變串行口的狀態(tài)，或者運(yùn)用查詢的方式分析其狀態(tài)是否是可以改變的。

2.2 靜態(tài)冗余

靜態(tài)冗余技術(shù)能夠?qū)植康墓收线M(jìn)行屏蔽，使局部的故障不影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。在系統(tǒng)發(fā)生故障的時(shí)候，運(yùn)用信息冗余的方式，使故障能夠在最短的時(shí)間內(nèi)輸出，通過對(duì)故障的補(bǔ)救，從而能夠消除其帶給系統(tǒng)的不良的影響。CRC校驗(yàn)又稱為循環(huán)冗余校驗(yàn)，是數(shù)據(jù)通訊中常用的一種校驗(yàn)算法。它可以有效的判別出數(shù)據(jù)在傳輸過程中是否發(fā)生了錯(cuò)誤，從而保障了傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可靠性。 CRC校驗(yàn)有多種方式，如：CRC8、CRC16、CRC32等等。在實(shí)際使用中，我們經(jīng)常使用CRC16校驗(yàn)。CRC16校驗(yàn)也有多種，如：1005多項(xiàng)式、1021多項(xiàng)式（CRC-ITU）等。在這里我們不討論CRC算法是怎樣產(chǎn)生的，而是重點(diǎn)落在幾種算法的C51程序的優(yōu)化上。 計(jì)算CRC校驗(yàn)時(shí)，最常用的計(jì)算方式有三種：查表、計(jì)算、查表+計(jì)算。一般來說，查表法最快，但是需要較大的空間存放表格；計(jì)算法最慢，但是代碼最簡潔、占用空間最小。

2.3 部件的冗余

部件的冗余指的是在系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件上出現(xiàn)的故障，如在系統(tǒng)的電源和監(jiān)控器上出現(xiàn)的故障。在使用高性能計(jì)算機(jī)時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)的故障就是電源故障，這類故障會(huì)產(chǎn)生比較嚴(yán)重的后果，所以，應(yīng)該采用電源冗余的方法，可以進(jìn)行電源的冗余備份處理，應(yīng)該從不同的電源上接收輸入信號(hào)，然后在運(yùn)行的情況下實(shí)現(xiàn)電源的轉(zhuǎn)換。在對(duì)冗余時(shí)鐘進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要分析中心面板上的振蕩器，分為兩個(gè)振蕩器，一個(gè)處于工作狀態(tài)，一個(gè)處于備份的狀態(tài)，當(dāng)一個(gè)振蕩器發(fā)生故障后，時(shí)鐘源就可以進(jìn)行切換，使備用的振蕩器派上用場。

2.4 數(shù)據(jù)通路的冗余

數(shù)據(jù)通路的冗余能夠理解成對(duì)零部件的冗余，在高性能計(jì)算機(jī)使用的過程中，一般都采取了這種提高可靠性的措施，在對(duì)磁盤的路徑進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)一般都設(shè)計(jì)了冗余路徑。軟件會(huì)實(shí)現(xiàn)很多特定的功能，為了方便程序員，引入了“模塊化程序設(shè)計(jì)”，引入動(dòng)態(tài)鏈接庫（DLL），由主執(zhí)行文件調(diào)用來執(zhí)行某一項(xiàng)或幾項(xiàng)特定功能。但在卸載時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)不能將所有DLL文件刪除干凈的情況，這些剩余的DLL文件就是冗余動(dòng)態(tài)連接庫，可以通過刪除來節(jié)省硬盤空間。

2.5 信息冗余

信息冗余指的是對(duì)數(shù)據(jù)的糾錯(cuò)的技術(shù)，其能夠在數(shù)據(jù)中增加冗余，從而減少信息在傳遞的過程中發(fā)生的故障，而且能夠?qū)π畔⒌墓收掀鸬搅己玫钠帘蔚男ЧＴ诟咝阅苡?jì)算機(jī)的使用中，中央處理器、I/O接口等一般都采用了信息冗余的方法。

2.6 動(dòng)態(tài)冗余

動(dòng)態(tài)冗余指的是在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中按照功能的不同分成不同的模塊，在對(duì)故障進(jìn)行檢查時(shí)，只需要檢查每個(gè)模塊的運(yùn)行狀況就可以直接找到故障的所在，系統(tǒng)能夠進(jìn)行及時(shí)地恢復(fù)。

3 故障的診斷與檢測(cè)

故障的檢測(cè)技術(shù)能夠分析計(jì)算機(jī)中是否是存在故障的，而且能夠?qū)收系奈恢枚ㄎ?。在?duì)故障進(jìn)行診斷和檢測(cè)時(shí)，可以采取聯(lián)機(jī)的方式，也可以在脫機(jī)的形式下進(jìn)行。一般在高性能的計(jì)算機(jī)中，是采用聯(lián)機(jī)檢測(cè)的方法，能夠?qū)收线M(jìn)行跟蹤處理。在對(duì)檢錯(cuò)碼進(jìn)行分析時(shí)，能夠針對(duì)循環(huán)冗余中提供的校驗(yàn)碼進(jìn)行分析，從而能夠自動(dòng)的識(shí)別系統(tǒng)的故障。但是，其與糾錯(cuò)碼還是存在一定的差異的，檢錯(cuò)碼不能夠自動(dòng)的將錯(cuò)誤糾正，而且，在監(jiān)視定時(shí)器使用時(shí)需要有網(wǎng)絡(luò)連接。在對(duì)總線的故障進(jìn)行分析時(shí)，需要考慮到總線控制器在交互環(huán)節(jié)中的問題。在對(duì)故障進(jìn)行檢測(cè)的過程中，應(yīng)該先對(duì)硬件進(jìn)行檢測(cè)，然后分析系統(tǒng)的故障。

3.1 重組技術(shù)

充足時(shí)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)冗余的關(guān)鍵，是防止局部的系統(tǒng)故障對(duì)整個(gè)系統(tǒng)帶來的不利影響。系統(tǒng)的故障分為可恢復(fù)的和不可恢復(fù)，如果檢測(cè)的故障是不可恢復(fù)的，那么，系統(tǒng)中就會(huì)將故障的部件切換掉，運(yùn)用備用的部件。而且如果發(fā)現(xiàn)備用的部件不足，系統(tǒng)就能夠自動(dòng)的將故障隔離，確保整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)還是可以運(yùn)行的。

3.2 恢復(fù)技術(shù)

重組技術(shù)能夠?qū)δ切┎荒芑謴?fù)的故障進(jìn)行處理，但是，在高性能計(jì)算機(jī)運(yùn)行的過程中，還是存在一些瞬間產(chǎn)生的故障，這些故障能夠很快解決，可以通過對(duì)系統(tǒng)的恢復(fù)完成。恢復(fù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)瞬間故障的診斷，瞬間故障一般都是可恢復(fù)的故障，所以這些故障能夠及時(shí)地消除。在恢復(fù)技術(shù)中最常見的是重試，在對(duì)相關(guān)的步驟操作但是沒有反應(yīng)時(shí)，可以采用重試的方式，服務(wù)器就會(huì)采用重試的方式，對(duì)系統(tǒng)重新運(yùn)行，重新對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。

3.3 在線替換

這項(xiàng)技術(shù)能夠?qū)ο到y(tǒng)出現(xiàn)的故障替換，將故障置換出來，從而能夠使系統(tǒng)恢復(fù)到之前的功能。在高性能計(jì)算機(jī)中，在線替換功能主要是英語到磁盤、電源等設(shè)備中，在單元板能夠正常運(yùn)行的情況下，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器的一環(huán)，從而也能夠使那些較為落后的功能替換，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的在線升級(jí)。

4 結(jié)語

現(xiàn)在，高性能計(jì)算機(jī)的應(yīng)用還是比較廣泛的，在各類生產(chǎn)中得到了廣泛地應(yīng)用，其功能逐漸完善，但是，在多元化功能的背景下，其運(yùn)行的可靠性也在下降，所以，要提高計(jì)算機(jī)的可靠性，就需要借助一些可靠性技術(shù)，促進(jìn)高性能計(jì)算機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。

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