Краткий_Курс (1184370), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

18. Сверхдлинные команды

В ЭВМ с архитектурой VLIW (Very Long Instruction Word) - (очень большие командные слова), команды могут иметь широкий формат (длину) и команда может содержать несколько содержательных инструкций, выполнение которых детально регламентируется в терминах тактов работы АУ (параллельное выполнение нескольких команд в АУ). В таких архитектурах имеется возможность программировать вычислительные алгоритмы (включая векторные) с максимальной производительностью для данной аппаратуры. В них вся работа по оптимальному программированию возлагается на системы программирования (или ручное программирование).

Однако, упрощения в архитектуре управления приводит к значительному возрастанию сложности задачи планирования выдачи команд, так программными средствами должна быть обеспечена точная синхронизация считывания и записи данных. При этом необходимо так планировать параллельное выполнение операций машины, чтобы выполнялись определенные ограничения на число одновременно считываний и записей в наборы регистров, использование ФУ и т.д. Размер командного слова в машинах данной архитектуры - FPS (AP-120B) - 64 бита, Multilow Tract - 1024.

Определяющие свойства архитектуры VLIW:

- Одно центральное управляющее устройство, обрабатывающее за один такт одну длинную команду.

- Большое число функциональных устройств (ФУ) - АЛУ.

- Наличия в длинной команде полей, каждое из которых содержит ко­манду управления некоторым функциональным устройством или команду обращения к памяти.

• Статически определенная длительность в тактах исполнения каждой операции. Операции могут быть конвейеризованы.

• Закрепление во время компиляции банков расслоенной памяти за ФУ для получения максимальной ширины доступа для данных, которые можно соединить в одну команду.

- Система передвижения данных между ФУ, минуя память. Маршрут передвижения полностью специфицируется во время компиляции.

• Практическая невозможность ручного программирования в силу большой сложности возникающих комбинаторных задач.

19. Производительность вычислительных систем.

Оценка производительности вычислительных систем имеет два аспекта: оценка пиковой производительности – номинального быстродействия системы и получение оценок максимальной - “реальной” производительности. Если номинальная(пиковая, предельная) оценка однозначно определяется техническими параметрами оборудования, то вторая характеристика указывает производительность системы в реальной среде применения. Для оценки производительности вычислительных систем в ТОР500 используются обозначения Rpeak – пиковая, предельная производительность и Rmax – максимальная производительность при решении задачи Linpack.

19.1. Единицы измерения быстродействия ЭВМ

Наиболее абстрактной единицей измерения производительности микропроцессоров является тактовая частота ПК, частота тактового генератора (clock rate,). Любая операция в процессоре не может быть выполнена быстрее, чем за один такт (период) генератора. Итак, минимальное время исполнения одной логической операции (переключение транзистора) - один такт. Тактовая частота измеряется в Герцах – число тактов в секунду. 1 МГерц – миллион тактов в секунду, ГГерц – миллиард тактов в секунду. С наибольшей частотой работают элементы ПК, интегрированные на чипе – АЛУ, кэш память, дешифратор команд, регистры, а частота синхронизации пересылки между кэшем и памятью (ОЗУ) ниже. Разрядность шины адреса для большинства процессоров –32 байта и она должна работать с частотой кэш памяти. Шины данных работает на частоте работы основной памяти. При этом частоты работы шины данных, например, равны 66, 66, 166 Мгц для микропроцессоров Pentium Pro-200, Power PC 604E-225, Alpha 21164-500, работающих на тактовых частотах 300, 225, 500 Мгц соответственно. При ширине шин 64, 64, 128 разрядов это обеспечивает пропускную способность интерфейса с основной памятью 512, 512, 2560 Мбайт/с, соответственно.

Внутренняя архитектура процессора, как и тактовая частота, также влияет на работу процессора, поэтому два CPU с одинаковой тактовой частотой не обязательно будут работать одинаково. Кроме того, некоторые микропроцессоры являются суперскалярными, т.е. они могут выполнять более одной команды за тактовый цикл. Итак, тактовая частота ПК, даже с уточнениями частоты шины могут быть оценкой лишь номинальной производительности ПК.

Другой обобщенной мерой производительности ПК может служить число команд, выполняемые в единицу времени. Для вычислителей фон-Нейманновской архитектуры скорость выполнения команд уже может быть параметром, который может быть использован для оценки времени выполнения программы. Этот параметр - MIPS (Million Instruction Per Second)- миллион операций (команд,инструкций

ЭВМ)/сек. Так как время выполнения различных команд может различаться, то данных параметр сопровождался разного вида уточнениями (логических команд, заданной смеси команд и т.д.), а также наиболее известной здесь мерой в 1 MIPS – это производительность вычислителя VAX 11/780. Итак, данный параметр также достаточно условен.

Так как для большинства вычислительных алгоритмов существуют оценки числа арифметических операций, необходимых для выполнения расчетов, данная мера и может служить тем показателем, который и интересует пользователей в первую очередь. Это – MFLPOPS (Million of Floating point Operation Per Second – Мегафлопс )- миллион операций на данных с плавающей запятой/сек, единица быстродействия ЭВМ в операциях с плавающей запятой, есть также единицы - GFLPOPS и ТFLPOPS (терафлопс = 10**12 оп./сек.).

20. Измерение реальной производительности

Обычно, рассматриваются три подхода к оценке производительности:

- на базе аналитических модели (системами массового обслуживания);

- имитационное моделирование;

- измерения.

Первый подход обеспечивает наиболее общие и наименее точные ре­зультаты, последние, наоборот, - наименее общие и наиболее точные. Измерения проводятся контрольными (тестовыми) программами.

Бенч-марк (Benchmark) - эталон:

• стандарт, по которому могут быть сделаны измерения или сравнения;

• процедура, задача или тест, которые могут быть использованы для сравнения систем или компонентов друг с другом или со стандартом как в п.1.

Для повышения общности и представительности оценки производительности контрольные программы можно разделить на:

• программы нижнего уровня. Эти программы тестируют основные машинные операции - +,/,* , с учетом времени доступа к памяти, работу кэша, характеристики ввода/вывода.

• ядра программ. Ядра программ - короткие характерные участки программ, например, Ливерморские фортрановские ядра (24 ядра) , Эймсовские ядра НАСА, синтетический тест Ветстоун (Whetstone).

• основные подпрограммы и типовые процедуры; Примером основных подпрограмм могут быть программы Линпак (Linpack) , программы типа быстрого преобразования Фурье.

Программа Линпак - процедура решения системы линейных уравнений методом исключения Гаусса. В этой схеме вычислений точно известно число операций с плавающей точкой, которое зависит от размерности массивов – параметров. Стандартные значения размерностей 100 или 1000. Для параллельных ЭВМ имеется соответствующая версия теста.

- полные основные прикладные программы; В качестве примеров программ этого уровня приводятся Лос-Аламосские тестовые программы моделирования поведения плазмы и программы гидродинамики.

- перспективные прикладные программы.

Более корректные результаты реальной производительности вычислительных систем получаются при использовании полных прикладных программ с полным же набором входных данных. Имеются тестовые пакеты с ориентацией на оценку микропроцессоров, наиболее известные, разработаны фирмой SPEC (Systems Performance Evaluation Cooperative), SPECintХХХХ SPECfpХХХХ (ХХХХ- год выпуска теста), которые характеризуют быстродействие ПК при обработке целочисленных и вещественных чисел.

21. Закон Амдала

Закон Амдала показывает коэффициент ускорения выполнения программы на параллельных системах в зависимости от степени распараллеливания программы. Пусть: N - число процессоров системы, P - доля распараллеливаемой части программы, а S = 1-P - доля скалярных операций программы, выполняемых без совмещения по времени.( S+P = 1 , S,P >= 0). Тогда, по Амдалу, общее время выполнения программы на однопроцессорном вычислителе S+P, на мультипроцессоре: S+P/N, а ускорение при этом есть функция от P: Sp = (S+P)/(S+P/N) = 1/(S+P/N)

Из формулы закона Амдала следует,что при:

P = 0 S = 1 - ускорения вычисления нет, а

P = 1 S = 0 - ускорение вычислений в N раз

Если P = S = 0.5, то даже при бесконечном числе процессоров уско­рение не может быть более чем в 2 раза.

22. Архитектура мультипроцессорных систем.

Архитектуры параллельных вычислителей в свое время разделялись на многомашинные (слабосвязанные) и многопроцессорные (сильносвязанные) комплексы. По типу (“силе”) связей между элементарными вычислителями мультипроцессорные комплексы, в настоящее время, можно классифицировать: GRID-сети, кластеры, суперЭВМ (МИМД системы по Флинну) .

GRID-сети это совокупность вычислительных систем, связанных через Интернет (метакомпьютинг). Используются для решения задач, допускающих сегментацию на независимые вычислительные процессы с большим объемом вычислений. Такими задачами являются задача исследования генома, обработку результатов физических испытаний, проект CETI.

Вычислительные кластеры (cluster) – группа ЭВМ (серверов), связанная между собой системной сетью и функционирующая с точки зрения пользователя как единый вычислительный узел. Локальные сети отличаются от кластеров тем, что узлы локальной сети используются индивидуально, в соответствии со своим назначением. В свою очередь кластеры разделяются на Высокоскоростные (High Performance, HP) и Системы Высокой Готовности (High Availability, HA), а также Смешанные Системы.

Высокоскоростные системы предназначены для задач, которые требуют больших вычислительных мощностей: обработка изображений, научные исследования, математическое моделирование и т. д.

Кластеры высокой готовности используются в банковских операциях, электронной коммерции и т д.

Супер ЭВМ – МИМД вычислители Флинну разделяются на ЭВМ с общей памятью (SMP) и с распределенной памятью (МРР).

Вычислительные системы архитектуры: МРР (Massively Parallel Processor, Massive Parallel Processing) - массив (матрица), состоящая из некоторого количества про­цессорных элементов с локальной памятью (микропроцессоров). Это самые мощные ЭВМ. Сети обмена между процессорными элементами для супер ЭВМ такие же как и для кластеров.

Сети обмена делятся на три типа: шины, статические сети, динамические сети.

Быстродействие сети обмена определяется быстродействием узлов и связей между ними, параметры последних определяются: пропускной способностью непрерывного потока данных и максимальным количеством самых маленьких пакетов, которые можно передать за единицу времени (время передачи пакета нулевой длины, задержка). Некоторые сетевые интерфейсы

Технология Mbyte/s Задержка млсек

Fast Ethernet 12.5 156

Gigabit Ethernet 125 33

Myrinet 245 6

SCI 400 1.5

Сети обмена делятся на три типа: шины, статические сети, динамические сети.

Шины

Система связи ПЭ через коммутирующую общую шину отличаются от других схем простотой, однако ее производительность ограничивается необходимостью обеспечивать в любой момент времени не более одного запроса на передачу информации. Общая шина с центральным коммутатором обеспечивает арбитраж запросов процессоров на передачу информации - выделение один из запросов на доступ к шине и обеспечение монопольного права на владения шиной на все время требуемого обмена. Шины - пропускная способность 100 Мбайт/с для 2 -20 ПЭ (Multimax). Число процессоров в таких системах всегда ограничено.

Статические сети

Статические сети имеют жестко фиксированные соединения, вход и выход зафиксированы без возможности переключения. Наиболее простой топологией сети является линейка – одномерная сетка. Для обеспечения передачи информации между несмежными узлам используются транзитные пересылки. Для цепочки из М узлов наиболее медленная пересылка есть пересылка между конечными ПЭ линейки и она потребует (М-1) транзитных пересылок. Число таких пересылок для любой статической топологии сети считается ее параметром и называется – диаметром сети. Если связать конечные ПЭ линейки, то такая топология - кольцо будет иметь меньший диаметр. Сети могут иметь вид: одномерный линейный массив, двумерное кольцо, звезда, сетка и гексагональный массив, дерево, трехмерное пол­ностью связанное хордовое кольцо, 3 -мерный куб, сети из циклически связанных 3-мерных кубов, D - мерный массив с топологией гиперкуба, тасовка (совершенная, обменная). Недостаток - необходимость маршрутизации транзитных сообщений. По топологии гиперкуба, каждое ПЭ связывается со своим ближайшем соседом в n мерном пространстве. У каждого узла в двумерном гиперкубе имеются два ближайших соседа, в трехмерном - три, в четырехмерном - четыре.

Характеристики

Список файлов книги