🗊Презентация Производительность. Многопроцессорные системы

Производительность. Многопроцессорные системы Лекция 7 (По материалам Мухаметова В.Н.)

4096tb@gmail.com Тема письма: БГУИР. … .

Лекция 5. Структура процессора. Архитектуры CISC и RISC. Архитектура процессора Intel .

Лекция 6. Адресация. Режимы работы процессора. Управление памятью.

Лекция 7. Производительность. Многопроцессорные системы

Иерархия памяти

Иерархия памяти

Иерархия памяти

Иерархия памяти

Computer memory hierarchy

Повышение производительности Развитие архитектуры IA-32. Кэш. FPU.

Производительность

Скорость света не превысить!

Параллелизм Параллелизм: на уровне команд (ILP – Instruction Level Parallelism) на уровне процессов (TLP – Thread Level Parallelism) Параллелизм: многопроцессорные системы многоядерные процессоры

Конвейеризация (Рipelining) Реализация обработки команд внутри процессора в несколько этапов Идея состоит в использовании разных устройств процессора на разных этапах обработки команды

Конвейер инструкций

Латентность конвейера

Конвейер

Intel Pentium IV Суперскалярная архитектура (как и все Pentium’ы ) «Гиперконвейерная технология» (сверхдлинный конвейер: 5 стадий у P5,10 стадий у P6, 20 стадий у Pentium IV) «Net Burst» технология (до 126 МО одновременно) SSE2 (+ 144 новых команды типа SIMD) Выборка МО (микроопераций) Переименование регистров (128 физических) Помещение МО в очередь (планирование с учетом зависимостей) Отсылка на CPU или FPU Чтение из файлов регистров Выполнение (1 такт) Определение флагов Запись результата (проверка перехода)

Согласно Флинту SISD (Single Instruction, Single Data) SIMD (Single Instructions, Multiple Data) MISD (Multiple Instruction, Single Data) MIMD (Multiple Instruction, Multiple Data) SISD – «обычные» компьютеры (фон Неймана) SIMD – векторные суперкомпьютеры MISD – не существуют MIMD – мультипроцессорные системы, мультикомпьютеры, кластеры (Таненбаум, 4-е изд., с. 584)

Пути достижения параллелизма Потоковая архитектура ОКМД (одна операция над многими данными – MMX, XMM, SSE) МКМД (многопроцессорные системы, суперкомпьютеры) МКМД (множество независимых компьютеров – кластеры, суперкомпьютеры)

Суперскалярная архитектура

Hyper-Threading

Multiprocessor systems

SMP-системы (Symmetrical Multi Processor systems).

Закон Амдала

Закон Амдала

SMP

NUMA-системы (Non-Uniform Memory Access systems).

Кластеры

Кластеры

HyperТhreading (Гипертрейдинг)

SMP - Symmetrical MultiProcessing

Двухъядерный процессор

Intel Smithfield

«Классическая» двухпроцессорная SMP-система с двухъядерными процессорами

SUMA

AMD Toledo

Пример двухпроцессорной двухядерной системы на Opteron 2хх и чипсете AMD 82хх.

AMD Opteron Dual-Core Architecture

Intel & AMD

Когерентность кэш-памяти

Когерентность кэш-памяти Протоколы поддержания когерентности кэшей: у процессоров Intel - «MESI», у процессоров AMD - «MOESI».  MESI - Modified, Exclusive, Shared, Invalid MOESI - Modified, Owner, Exclusive, Shared, Invalid

Write-Through

MESI MESI (Modified, Exclusive, Shared, Invalid) Modified - состояние (выделено желтым) соответствует измененной строке в кэш-памяти, содержащей данные, которые еще не записаны в оперативную память. Этих данных в кэшах других процессоров нет. Exclusive - состояние (выделено салатовым) соответствует копии данных, которые записаны в кэш память только данного конкретного процессора. Shared - состояние (выделено зеленым) соответствует копии данных, которые содержатся в кэш-памяти одновременно нескольких процессоров. Invalid - состояние (выделено красным) соответствует строкам кэш-памяти, содержащим устаревшую информацию Оперативная память на схеме помечена красным, если в ней содержатся устаревшие копии данных

Кэш Чтение корректных данных и модификация

Кэш Чтение «устаревших» данных

MOESI MOESI (Modified, Owner, Exclusive, Shared, Invalid) Modified - состояние (выделено желтым) соответствует измененной строке в кэш-памяти, содержащей данные, которые еще не записаны в оперативную память. Этих данных в кэшах других процессоров нет. Owner - состояние (выделено светло-голубым) соответствует измененной строке, содержащей данные, которые еще не записаны в оперативную память и которые ЕСТЬ в кэшах других процессоров Exclusive - состояние (выделено салатовым) соответствует копии данных, которые записаны в кэш память только данного конкретного процессора. Shared - состояние (выделено зеленым) соответствует копии данных, которые содержатся в кэш-памяти одновременно нескольких процессоров. Invalid - состояние (выделено красным) соответствует строкам кэш-памяти, содержащим устаревшую информацию. Оперативная память на схеме помечена красным, если в ней содержатся устаревшие копии данных

Кэш Чтение «устаревших» данных

Кэш Чтение корректных данных и модификация

Pentium 4 Processor With HT

Pentium D Processor

Pentium 4 Processor With HT

Dual Gore Pentium Processor Extreme Edition

Реализация IA-64 Intel Itanium2

IA-32 / IA-64

Реализация IA-64: Intel Itanium2

EPIC

Itanium 2

Функциональные устройства

Itanium 2 Каждая из инструкций при разборе связки направляется на соответствующий ее типу конвейер: (A) целочисленное АЛУ (B) Не-АЛУ целочисленное (M) памяти (F) вещественные (B) Ветвления (L) специальные

Формат связки команд IA-64

IA-64

IA-64

Конвейер Itanium

Конвейер CPU с внеочередным исполнением команд

Out-of-order Processor Pipeline (2)

80-ядерный процессор Intel Teraflops Research Chip

Технология Teraflops основан на техпроцессе 65 нм. Процессор построен на одной подложке, объединившей 80 независимых процессорных ядер. Ядра размещены в виде прямоугольника 8х10. Одно ядро имеет площадь 3 кв. миллиметра. Чип использует упаковку LGA с 1248 контактами. 343 из них используются для передачи сигналов, а остальные - это питание и земля.

Ядро Intel Teraflops

Роутер ядра используется для передачи данных и команд в сети между ядрами. Роутер ядра используется для передачи данных и команд в сети между ядрами. Роутер каждого ядра имеет пять 39-битных портов, которые обеспечивают общую пропускную способность 80 ГБ/с. Основное достижение Интел в этом чипе то, что вычислительный модуль может быть заменен на все что угодно, включая ядра х86, ядра DSP и др.

Частоты и управление питанием

Синхронизация Разработчикам очень трудно обеспечить появление частотного сигнала в одно и то же время во всех частях процессора, особенно, принимая во внимание увеличение рабочих частот и площади процессоров. Но это необходимо для нормальной работы процессора. Intel говорит, что обеспечение синхронизации тактовой частоты требует около 30% всей энергии, потребляемой процессором.

Чип может работать на нескольких скоростях, в зависимости от рабочего напряжения. Чип может работать на нескольких скоростях, в зависимости от рабочего напряжения. При частоте 4 ГГц чип может достичь производительности 1,28 терафлоп при энергопотреблении 181 Вт. Самая низкая частота, на которой может работать чип - 1 ГГц, энергопотребление при этом - 11 Вт, а количество выполняемых операций с плавающей запятой может достигать 310 миллиардов в секунду.

Перспективы

Что дальше?