計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu) 課件 14計(jì)算機(jī)性能量化評(píng)價(jià)方法

計(jì)算機(jī)性能量化評(píng)價(jià)方法計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)、模型及定律如何評(píng)價(jià)計(jì)算機(jī)的性能？計(jì)算機(jī)用戶(hù)程序運(yùn)行時(shí)間響應(yīng)時(shí)間管理員吞吐量（throughput）單位時(shí)間內(nèi)所能完成的工作量宏觀評(píng)價(jià)指標(biāo)響應(yīng)時(shí)間服務(wù)時(shí)間等待時(shí)間傳輸時(shí)間吞吐量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)完成事務(wù)/任務(wù)的數(shù)量功耗動(dòng)態(tài)功耗Consumedbyactivityinacircuit靜態(tài)功耗ConsumedwhenpoweredonbutidleActivePower

Capacitance~chipareaVoltagefrequencyActivityfactorStaticPowerVoltageLeakage基本性能指標(biāo)機(jī)器字長(zhǎng)存儲(chǔ)容量?jī)?nèi)存外存處理器評(píng)價(jià)指標(biāo)MIPS(MillionInstructionPerSecond)FLOPS(FloatingPointOperationPerSecond)CPI(CyclePerInstruction)TOPS(TeraOperationsperSecond)MIPS程序的執(zhí)行時(shí)間為：MIPS的缺陷MIPS依賴(lài)于指令集，所以用MIPS來(lái)比較指令集不同的機(jī)器的性能的好壞是很不準(zhǔn)確的在同一臺(tái)機(jī)器上，MIPS因程序而異，有時(shí)變化是很大的MIPS可能與性能相反MFLOPSMillionFloatingPointOperationsPerSecond基于操作而不是基于指令的，所以它可以用來(lái)比較兩種不同的機(jī)器MFLOPS的局限性MFLOPS取決于機(jī)器和程序兩個(gè)方面只能用來(lái)衡量機(jī)器浮點(diǎn)運(yùn)算操作的性能，而不能體現(xiàn)機(jī)器的整體性能不同機(jī)器上浮點(diǎn)運(yùn)算集不同，另外MFLOPS還依賴(lài)于操作類(lèi)型CPI和CPU執(zhí)行時(shí)間每條計(jì)算機(jī)指令執(zhí)行所需的時(shí)鐘周期，有時(shí)簡(jiǎn)稱(chēng)為指令的平均周期數(shù)。主頻，即CPU內(nèi)核工作的時(shí)鐘頻率（CPUClockSpeed）CPU執(zhí)行時(shí)間：表示CPU執(zhí)行一段程序所占用的CPU時(shí)間

加速比&效率加速比S(n)：由單處理器求解一個(gè)給定任務(wù)實(shí)例所需時(shí)間與由n個(gè)處理器組成的并行系統(tǒng)求解同一實(shí)例所需時(shí)間的比值。效率E(n)

：加速比與處理器數(shù)n的比值，即E(n)=S(n)/n。效率是對(duì)每個(gè)處理器可獲得加速的度量，可用來(lái)衡量多個(gè)處理器的利用率。E(n)的取值在0與1之間。理想性能模型E(n)=1不考慮通信開(kāi)銷(xiāo)，全部程序都可通過(guò)并行執(zhí)行加速考慮通信開(kāi)銷(xiāo)的模型若tc

<<ts，則加速比近似等于n；若tc

>>ts，則加速比近似等于ts/tc<<1；若tc

=ts，則加速比為

，當(dāng)n>>1時(shí)，近似為1。具有串行部分的模型-無(wú)通信開(kāi)銷(xiāo)具有串行部分的模型-有通信開(kāi)銷(xiāo)Amdahl定律突破Amdahl定律GrowthinprocessorperformanceGrowthinclockrateRulesofThumbAmdahl/CaseRule:Abalancedcomputersystemneedsabout1MBofmainmemorycapacityand1megabitpersecondofI/ObandwidthperMIPSofCPUperformance.90/10LocalityRule:Aprogramexecutesabout90%ofitsinstructionsin10%ofitscode.BandwidthRule:Bandwidthgrowsbyatleastthesquareoftheimprovementinlatency.2:1CacheRule:Themissrateofadirect-mappedcacheofsizeNisaboutthesameasatwo-waysetassociativecacheofsizeN/2.DependabilityRule:Designwithnosinglepointoffailure.Watt-YearRule:ThefullyburdenedcostofaWattperyearinaWarehouseScaleComputerinNorthAmericain2011,includingthecostofamortizingthepowerandcoolinginfrastructure,isabout$2.ComputerArchitectureFormulasComputerArchitectureFormulas基準(zhǔn)性能測(cè)試基準(zhǔn)測(cè)試程序基準(zhǔn)測(cè)試程序（benchmark）集是指使用一組專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的整數(shù)或浮點(diǎn)數(shù)程序，去測(cè)試待測(cè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能的不同方面四種來(lái)源實(shí)際的應(yīng)用程序核心程序：實(shí)際程序中抽取少量關(guān)鍵循環(huán)程序段玩具基準(zhǔn)測(cè)試程序：通常只有10-100行而且運(yùn)行結(jié)果是可以預(yù)知的綜合基準(zhǔn)測(cè)試程序：它類(lèi)似于核心程序，但它考慮了各種操作和各種程序的比例常用的基準(zhǔn)測(cè)試程序Linpack(Linearsystempackage)：用IEEE754雙精度64位字長(zhǎng)的子程序求解100階線性方程組的速度，測(cè)試結(jié)果以Mflops或Gflops為單位給出LAPACK(LinearAlgebraPACKage)ScaLAPACK(ScalableLAPACK)Linpack(1)Linpack是線性系統(tǒng)軟件包（Linearsystempackage）的縮寫(xiě)20世紀(jì)70年代中期開(kāi)始，國(guó)際上曾開(kāi)發(fā)過(guò)一批基于FORTRAN語(yǔ)言的求解線性代數(shù)方程組的子程序，并于1979年正式發(fā)布了Linpack包Linpack測(cè)試的基準(zhǔn)是用IEEE754雙精度64位字長(zhǎng)的子程序求解100階線性方程組的速度，測(cè)試結(jié)果以Mflops或Gflops為單位給出Linpack也被廣泛的應(yīng)用于實(shí)際計(jì)算中，用來(lái)分析和求解線性方程組和線性最小二乘法問(wèn)題Linpack測(cè)試包括三類(lèi)，Linpack100、Linpack1000和HPL(HighPerformanceLinpack)Linpack(2)目前，TOP500仍以執(zhí)行Linpack測(cè)試的峰值運(yùn)算速度作為排名依據(jù)使用Linpack基準(zhǔn)測(cè)試一般需要和收集的信息包括：Rpeak：它是系統(tǒng)的最大理論峰值性能，按Gflops表示；Nmax：給出有最高Gflops值的矩陣規(guī)模或問(wèn)題規(guī)模；Rmax：在Nmax規(guī)定的問(wèn)題規(guī)模下，達(dá)到的最大Gflops。綜合基準(zhǔn)測(cè)試集——SPECStandardPerformanceEvaluationCorporation是一個(gè)非營(yíng)利性組織，于1988年成立SPEC的基準(zhǔn)測(cè)試程序全部選自實(shí)際的應(yīng)用程序，提供標(biāo)準(zhǔn)、公正并可在各種硬件結(jié)構(gòu)間進(jìn)行高強(qiáng)度計(jì)算性能比較的方法它所發(fā)布的測(cè)試結(jié)果已經(jīng)成為世界公認(rèn)的計(jì)算機(jī)性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之一與Linpack有所不同，SPEC是一個(gè)合成（綜合）的基準(zhǔn)測(cè)試程序集，既包括浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算測(cè)試，也包括整數(shù)運(yùn)算測(cè)試/SPEC92SPEC92由兩套測(cè)試程序組成：CINT92和CFP92CINT92由6個(gè)測(cè)試整數(shù)性能的C程序組成，而CFP92則由14個(gè)測(cè)試浮點(diǎn)性能的C和FORTRAN程序組成在SPEC92中，SPECratio代表實(shí)際執(zhí)行指定程序時(shí)間和預(yù)先確定的參照時(shí)間（通常取VAX11/780的執(zhí)行時(shí)間）兩者的比值SPEC92整數(shù)程序(CINT92)程序描述compress壓縮/解壓縮工具espresso化簡(jiǎn)布爾函數(shù)的程序gccGNU編譯器eqntott邏輯設(shè)計(jì)程序sc電子表格程序liLisp解釋器SPEC92浮點(diǎn)程序(CFP92)程序描述/領(lǐng)域alvinn神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)/機(jī)器人doduce核反應(yīng)堆模擬/物理學(xué)ear耳朵模擬/醫(yī)學(xué)fpppp電子積分/化學(xué)hydro2d噴氣計(jì)算/天體物理mdljdp2運(yùn)動(dòng)方程/化學(xué)（雙精度）mdljsp2運(yùn)動(dòng)方程/化學(xué)（單精度）nasa7浮點(diǎn)內(nèi)核ora光線跟蹤/光學(xué)spice電路模擬器/電路設(shè)計(jì)su2cor粒子質(zhì)量/量子物理學(xué)swm256水方程求解器/模擬tomcatv網(wǎng)格生成程序wave5麥克斯韋方程式求解器SPECbenchmarks高性能計(jì)算術(shù)語(yǔ)高性能計(jì)算（HPC/HEC）：沒(méi)有一個(gè)嚴(yán)格的定義HPC：HighPerformanceComputing，高性能計(jì)算HEC：HighEndComputing，高端計(jì)算并行計(jì)算：ParallelComputing彼此關(guān)系高性能計(jì)算=并行計(jì)算高性能計(jì)算機(jī)=并行計(jì)算機(jī)不很?chē)?yán)格，但得到了廣泛的認(rèn)可需要高性能計(jì)算技術(shù)？時(shí)間復(fù)雜度n=10n=30n=60n0.01毫秒0.03毫秒0.06毫秒n20.1毫秒0.9毫秒3.6毫秒n50.1秒24.3秒13.0分鐘2n1.0毫秒17.9分鐘366.0世紀(jì)3n0.06毫秒6.5年1.3×1013世紀(jì)人類(lèi)對(duì)計(jì)算能力的需求永無(wú)止境時(shí)間代價(jià)表（每秒處理1,000,000次基本操作的PC機(jī)）高性能計(jì)算的三類(lèi)需求計(jì)算密集(computeintensive)如大型科學(xué)工程計(jì)算、數(shù)值模擬等數(shù)據(jù)密集(dataintensive)數(shù)字圖書(shū)館、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)、數(shù)據(jù)挖掘等網(wǎng)絡(luò)密集(networkintensive)協(xié)同工作、遙控、遠(yuǎn)程醫(yī)療等高性能計(jì)算技術(shù)的重要性許多高精尖應(yīng)用領(lǐng)域?qū)τ?jì)算能力的極大需求，使高性能計(jì)算技術(shù)成為了決定軍事、經(jīng)濟(jì)和科技領(lǐng)先地位的關(guān)鍵因素構(gòu)造高性能計(jì)算機(jī)就成為該技術(shù)的核心內(nèi)容高性能計(jì)算機(jī)更是國(guó)家綜合國(guó)力的象征各國(guó)政府都不惜投入巨資開(kāi)發(fā)自己的高性能計(jì)算機(jī)研究背景高性能計(jì)算機(jī)的開(kāi)發(fā)具有極為濃厚的政治軍事背景美國(guó)政府擔(dān)心其它核武器擁有國(guó)對(duì)美國(guó)國(guó)防形成核威脅，試圖全面限制核試驗(yàn)，但禁止核試驗(yàn)和限制核武器的發(fā)展，使美國(guó)把核技術(shù)作為決定性武器來(lái)發(fā)展的傳統(tǒng)戰(zhàn)略陷入困境美國(guó)能源部推出了ASCI計(jì)劃，以擺脫核武器發(fā)展面臨的困境ASCI計(jì)劃的目的，是利用高技術(shù)創(chuàng)造核武器試驗(yàn)的虛擬空間，并在這個(gè)空間中開(kāi)展虛擬試驗(yàn)（VirtualTesting），高性能計(jì)算機(jī)的研制是ASCI計(jì)劃的重要組成部分美國(guó)ASCI計(jì)劃(1)全稱(chēng)為AcceleratedStrategicComputingInitiative，加速戰(zhàn)略計(jì)算創(chuàng)新1996年6月由美國(guó)能源部聯(lián)合三大核武器實(shí)驗(yàn)室（圣地亞哥、洛斯·阿拉莫斯、勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室）共同提出ASCI計(jì)劃的目的在2010年之前開(kāi)發(fā)出高性能、全系統(tǒng)、全物理現(xiàn)象的預(yù)測(cè)程序以支持核武器的性能評(píng)定、更新過(guò)程分析、偶發(fā)事件的分析及確認(rèn)刺激美國(guó)計(jì)算機(jī)工業(yè)的發(fā)展。ASCI項(xiàng)目的最終目標(biāo)是研制出100萬(wàn)億次的超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及相應(yīng)的軟件和算法美國(guó)ASCI計(jì)劃(2)該計(jì)劃分五個(gè)階段完成該計(jì)劃分五個(gè)階段完成，分別研制1萬(wàn)億次、3萬(wàn)億次、10萬(wàn)億次、30萬(wàn)億次和100萬(wàn)億次的系統(tǒng)截止到2000年6月，第一、二和三階段的開(kāi)發(fā)任務(wù)已完成，分別稱(chēng)為紅色（Red）、藍(lán)色（Blue）和白色（White）取得的成果為：英特爾研制的“ASCIRed”超級(jí)計(jì)算機(jī)；SGI和IBM分別研制的“藍(lán)山”和“藍(lán)色太平洋”超級(jí)計(jì)算機(jī)；IBM研制出了“ASCIWhite”超級(jí)計(jì)算機(jī)美國(guó)ASCI計(jì)劃(3)在第一階段，Intel研制出了“ASCIRed”超級(jí)計(jì)算機(jī)，安裝在桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室；在第二階段，SGI和IBM分別研制出了“藍(lán)山（ASCIBlueMountain）”和“藍(lán)色太平洋（ASCIBluePacific）”超級(jí)計(jì)算機(jī)，分別安裝于洛斯·阿拉莫斯和勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室；在第三階段，IBM研制出了“ASCIWhite”超級(jí)計(jì)算機(jī)，并在2001年年底安裝于勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，正式投入使用.美國(guó)ASCI計(jì)劃(4)1997年，ASCI針對(duì)第四、第五階段出臺(tái)了“PathForward”子計(jì)劃，研究超級(jí)計(jì)算所需的關(guān)鍵技術(shù)，如網(wǎng)間互聯(lián)、編程環(huán)境、負(fù)載均衡、單一系統(tǒng)映像、資源管理和海量存儲(chǔ)等技術(shù)