高级计算机系统结构

课程编码：081201M05002H 英文名称：Advanced Computer Architecture 课时：40 学分：2.00 课程属性：专业普及课 主讲教师：沈海华

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。

计算机体系结构

第一章 第一章 引言 1.0学时
第1节 1.1 图灵机模型与计算复杂性问题
第2节 1.2 高级计算机系统结构课程的内涵和外延
第二章 第二章 计算机系统结构发展历程 1.0学时
第1节 2.1 计算机系统结构设计的主要量化指标及其演变过程
第2节 2.2 计算机系统结构发展瓶颈及其成因
第3节 2.3 计算机系统结构发展的未来趋势
第三章 第三章 高级指令集架构(ISA)设计 3.0学时
第1节 3.1 What Are the Elements of an ISA?
第2节 3.2 ISA Principles and Tradeoffs
第3节 3.3 From ISA to Microarchitecture
第四章 第四章 Cache vs. Main Memory 3.0学时
第1节 4.1 Cache设计及其优化技术
第2节 4.2 主存储器设计及其优化技术
第3节 4.3 Buses-Connecting I/O Devices to CPU/Memory
第五章 第五章 高级存储系统 3.0学时
第1节 5.1 Flash Storage设计及其优化
第2节 5.2 NVM(non-volatile memory) 技术及其发展趋势
第3节 5.3 新型存储材料支持下的Memory Systems & Virtual Memory讨论
第六章 第六章 Multithreading Architectures 4.0学时
第1节 6.1 Multithreading: Policies & Costs
第2节 6.2 Hyper-threading
第3节 6.3 SMT (Simultaneous Multithreading)
第4节 6.4 CMP (Chip multiprocessors)
第七章 第七章 On-Chip Networks 3.0学时
第1节 7.1 On-Chip Networks Topology
第2节 7.2 Routing & Flow Control
第3节 7.3 Switch Microarchitecture & Routing Algorithms
第八章 第八章 Cache Coherence 3.0学时
第1节 8.1 Coherence & Consistency
第2节 8.2 Implementing Cache Coherence
第3节 8.3 Directory-Based Cache Coherence
第九章 第九章 Memory Consistency Models 3.0学时
第1节 9.1 Sequential Consistency
第2节 9.2 Relaxed Memory Models
第3节 9.3 Transactional Memory
第十章 第十章 GPU (Graphics Processing Units) 2.0学时
第1节 10.1 GPU架构设计及其优化技术
第2节 10.2 GPU ISA and Compilation
第十一章 第十一章 性能工程（Performance Engineering） 4.0学时
第1节 11.1 What is Performance Engineering?
第2节 11.2 Performance Metrics & Analysis
第3节 11.3 How to measure a real system?
第4节 11.4 How many tools can profile the way a system/app behaves?
第十二章 第十二章 Availability & Reliability 3.0学时
第1节 12.1 What is availability & reliability?
第2节 12.2 The principles of high availability
第3节 12.3 Design optimizations about availability & reliability
第十三章 第十三章 Power Management 3.0学时
第1节 13.1 Power Consumption in ICs
第2节 13.2 Power Metrics
第3节 13.3 Typical Power Management & Optimization Approaches
第十四章 第十四章 Datacenter 4.0学时
第1节 14.1 Motivation for Internet-scale Services & Datacenters
第2节 14.2 DC Hardware/Software Overview
第3节 14.3 DC performance, availability & reliability
第4节 14.4 DC: Power, Energy, & Cooling

沈海华，女，浙江杭州人。中国科学院大学教授，博士生导师。中国计算机学会高级会员，中国计算机学会容错专委会常务委员，中国计算机学会体系结构专委会委员，中国计量测试学会集成电路测试专委会委员。2002年毕业于清华大学计算机系计算机系统结构专业，获博士学位。2002~2013年在中科院计算所从事龙芯处理器研制工作，龙芯公司成立后，担任龙芯公司副总工程师，负责处理器设计验证。2013年调入中国科学院大学计算机科学与技术学院，主要研究方向包括：计算机体系结构、集成电路设计验证、硬件安全等，先后主持国家863、国家自然科学基金等国家级、省部级科研项目10余项，在TVLSI、TCAD、TCSII、HPCA、DATE等国内外重要期刊会议上发表学术论文40余篇，出版专著2部、译著1部，发明专利20余项，获得省部级奖励四项。长期担任国家科技部评审专家，北京市科委评审专家，科技部国家重点实验室重大仪器项目会评评审专家、863项目会评评审专家，国家自然科学基金通讯评委，中国人民银行芯片安全项目评审专家、中国互联网金融协会标准审查专家，IEEE Trans. on Computer、IEEE Trans. on VLSI、IEEE Trans. on CAD、IEEE Trans on Systems, Man and Cybernetics等领域顶级期刊及国际会议审稿人，多次受邀担任ICCD、ITC-ASIA、ATS、CFTC等国内外重要会议PC及硬件安全分会主席。