高性能计算、并行计算面试题库（含答案）二

并行硬件和架构

一、客观题

1、下列哪项是并行计算中使用的硬件设备？

A. 多核CPU

B. GPU

C. FPGA

D. 所有上述选项

答案：D

2、在多核处理器中，"core"是指：

A. 内存单元

B. 处理器单元

C. 存储单元

D. 输入/输出单元

答案：B

3、对称多处理器（SMP）系统的特点是什么？

A. 所有的处理器共享物理内存

B. 每个处理器都有自己的物理内存

C. 处理器之间没有物理内存共享

D. 处理器之间可以共享网络资源

答案：A

4、NUMA系统是什么的缩写？

A. Non-Uniform Memory Access

B. Non-Uniform Machine Architecture

C. Network Universal Memory Access

D. Network Universal Machine Architecture

答案：A

5、NUMA系统是什么的缩写？ A. 非一致性内存访问 B. 非统一机器体系结构 C. 网络通用内存访问 D. 网络通用机器体系结构 答案：A

下列哪一项是NUMA系统的特点？

A. 所有处理器共享内存

B. 每个处理器有自己的内存，并可以访问其他处理器的内存

C. 处理器之间不能共享内存

D. 所有处理器只能访问自己的内存

答案：B

6、下列哪一项是并行硬件架构的关键考虑因素？

A. 处理器数量

B. 处理器之间的通信机制

C. 内存架构

D. 所有上述选项

答案：D

7、在多核处理器中，哪种类型的缓存是多个核心共享的？

A. L1缓存

B. L2缓存

C. L3缓存

D. 都不对

答案：C

8、并行计算中的"false sharing"问题是指：

A. 多个处理器尝试访问同一内存位置

B. 多个处理器尝试访问不同的内存位置，但这些位置位于同一缓存行

C. 多个处理器无法访问相同的内存位置

D. 多个处理器访问内存的速度不同

答案：B

9、下面哪种硬件技术能够加速处理器之间的通信？

A. 超线程

B. 超标量

C. 超导

D. 高速互联（如InfiniBand）

答案：D

10、MPI通常用于哪种硬件架构？

A. 共享内存系统

B. 分布式内存系统

C. SIMD系统

D. 系统总线

答案：B

11、硬件并行性的层次包括：

A. 指令级并行

B. 数据级并行

C. 线程级并行

D. 所有上述选项

答案：D

12、对于GPU编程，下列哪个是常见的编程模型？

A. OpenMP

B. MPI

C. CUDA

D. Pthreads

答案：C

13、下面哪种存储器类型是最快的？

A. 主内存

B. 硬盘驱动器

C. CPU缓存

D. SSD驱动器

答案：C

14、以下哪种类型的并行硬件最适合执行大量简单的并行操作？

A. 多核CPU

B. FPGA

C. GPU

D. 网络处理器

答案：C

15、超线程技术是指：

A. 在一个CPU内核上同时运行多个线程

B. 在一个CPU内核上同时运行多个进程

C. 在多个CPU内核上同时运行一个线程

D. 在多个CPU内核上同时运行一个进程

答案：A

16、集群计算通常指的是：

A. 使用一组联网的工作站或服务器共同解决问题

B. 在一个CPU内核上同时运行多个线程

C. 在一台计算机上同时运行多个程序

D. 使用一台超级计算机解决问题

答案：A

17、以下哪种内存类型通常具有最大容量？

A. 寄存器

B. CPU缓存

C. 主内存

D. 磁盘

答案：D

18、在处理器中，下列哪个部分负责执行指令？

A. 控制单元

B. 算术逻辑单元（ALU）

C. 寄存器

D. 缓存

答案：B

19、SIMD是哪个术语的缩写？

A. Single Instruction, Multiple Data

B. Single Instruction, Multiple Devices

C. Simple Instruction, Multiple Data

D. Simple Instruction, Multiple Devices

答案：A

SIMD是哪个术语的缩写？ A. 单指令，多数据 B. 单指令，多设备 C. 简单指令，多数据 D. 简单指令，多设备 答案：A

20、在并行计算中，哪种硬件支持位级并行？

A. CPU

B. GPU

C. FPGA

D. 所有上述选项

答案：C

二、主观题

1、描述一下NUMA和SMP的区别，并说明它们在并行计算中的应用场景。

答案：NUMA和SMP都是多处理器的系统设计，但它们在内存管理上有着本质的区别。在SMP系统中，所有处理器共享同一个物理内存，任何处理器都可以访问任何内存地址，且访问速度相同。而在NUMA系统中，每个处理器有自己的内存，并且访问自己的内存快于访问其他处理器的内存。SMP系统在处理器数量较少，对内存访问要求较高的场景下表现优秀。而NUMA系统则更适用于处理器数量较多，对内存访问要求不那么高的场景。

2、简述CPU、GPU、FPGA这三种硬件在并行计算中的优势和局限。

答案：

多核CPU可以同时执行多个任务，有很好的通用计算能力和较高的时钟频率，适合执行复杂的计算任务和并行任务数相对较少的并行计算。然而，其核心数量有限，对于大量简单任务的并行计算效率相对较低。

GPU拥有大量的处理核心，适合执行大量简单的并行操作，例如在图形渲染和科学计算中的矩阵运算等。然而，其核心之间的通信和同步相对较弱，不适合执行需要频繁通信和同步的并行任务。

FPGA是一种可以被用户按需配置的硬件，具有灵活性和可定制性的优点。其可以实现高度并行和位级并行，且能够实现硬件级的优化，因此在一些特定的、需要硬件加速的并行计算任务中表现优秀。然而，FPGA的编程和优化相对复杂，需要专门的硬件设计知识。

3、阐述一下并行硬件架构的主要设计挑战是什么？

答案：并行硬件架构的设计面临多个挑战。首先，需要解决处理器间的通信问题，包括通信的效率和带宽，以及通信对于性能的影响。其次，内存管理也是一个关键问题，需要解决内存的访问速度，数据的一致性和内存分配策略等问题。另外，如何有效地利用硬件资源，如处理器、内存和网络等，以达到高效并行也是一个重要的挑战。

4、什么是“False Sharing”，并解释它在多核CPU架构中如何影响性能。

答案：“False Sharing”是指在多核CPU中，由于缓存系统的存在，当不同的核心同时访问同一缓存行中的不同变量时，会导致不必要的缓存同步，进而降低程序的并行性能。即使各个核心访问的数据是不同的，但只要它们在同一缓存行，修改数据时就会导致缓存行在各个核心之间来回传递，这就是“False Sharing”。这种现象会降低缓存的效率，并可能导致程序的性能下降。

5、简述一下在设计并行硬件架构时，你如何权衡处理器数量和通信带宽？

答案：设计并行硬件架构时，需要综合考虑处理器数量和通信带宽。增加处理器数量可以提高并行性能，但同时也会增加通信的复杂性和通信带宽的需求。如果通信带宽不足，可能会成为性能瓶颈，使得增加的处理器无法得到充分利用。因此，设计时需要根据具体的计算任务和通信需求来决定处理器的数量和通信带宽。一般来说，如果计算任务需要大量的数据交换和同步，可能需要更高的通信带宽和较少的处理器；如果计算任务可以高度并行且对数据一致性的要求较低，可能可以使用更多的处理器和较低的通信带宽。