29
Архитектура современных ЭВМ Кафедра Параллельных вычислений (ИВМиМГ) Кафедра Параллельных вычислительных технологий Маркова Валентина Петровна, [email protected] Куликов Игорь Михайлович, [email protected]

Архитектура современных ЭВМ

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Архитектура современных ЭВМ. Кафедра Параллельных вычислений (ИВМиМГ) Кафедра Параллельных вычислительных технологий Маркова Валентина Петровна, [email protected] Куликов Игорь Михайлович, [email protected]. Определение архитектуры компьютера. - PowerPoint PPT Presentation

Citation preview

Page 1: Архитектура современных   ЭВМ

Архитектура современных

ЭВМ

Кафедра Параллельных вычислений (ИВМиМГ)Кафедра Параллельных вычислительных технологий

• Маркова Валентина Петровна, [email protected]• Куликов Игорь Михайлович, [email protected]

Page 2: Архитектура современных   ЭВМ

Определение архитектуры компьютера

• Архитектура компьютера – логическая организация компьютера с точки зрения программиста, (программно-видимые средства)– IA-32, Intel Core, AMD x86-64, STI Cell, IBM POWER

• Микроархитектура компьютера – совокупность аппаратных решений для серии процессоров, реализующих ее программную модель– IA-32 (Intel Architecture 32 bit) представлена

двумя микроархитектурами: • P6 (Pentium Pro, Pentium II и Pentium III)• NetBurst (Celeron, Pentium 4, Xeon ,….)

Page 3: Архитектура современных   ЭВМ

Архитектурные принципы компьютера фон Неймана

• Принцип программного управления

• Принцип хранимой программы• Синхронное функционирование• Принцип условного перехода• Принцип использования

двоичной системы счисления• Принцип иерархичности ЗУ

Page 4: Архитектура современных   ЭВМ

Схема компьютерафон Неймана

Арифметико-логическое устройство

Управляющее устройство

Оперативная память

Внешняя память

Порты ввода

Порты вывода

Устройства ввода

Устройства вывода

Page 5: Архитектура современных   ЭВМ

Выполнение команды

Регистры

СК РИ

УУ

АЛУ

ОЗУ

Инструкции

Данные

Сигналы Управления

Адрес

Передача данных

Управляющие сигналы

Page 6: Архитектура современных   ЭВМ

Выполнение команды

Регистры

СК РИ

УУ

АЛУ

ОЗУ

Инструкции

Данные

Сигналы Управления

Адрес

Передача данных

Управляющие сигналы

Page 7: Архитектура современных   ЭВМ

Машины потока команд

Характерной чертой компьютеров фон

Неймана является наличие глобально адресуемой памяти и счетчика команд, которые позволяют УУ многократно повторять один и тот же цикл действий:1) Извлечение очередной команды

машинного кода,2) Декодирование и выполнение команды

в автоматическом режиме. В результате глобально адресуемая память и счетчик команд создают поток команд, которые УУ декодирует, а АЛУ исполняют.

Page 8: Архитектура современных   ЭВМ

Управляющие стратегии вычислений

• Команда выполняется, если предыду-щая команда, определенная в машин-ном коде, выполнена (control flow).

• Команда выполняется, когда требуе-мые операнды готовы (data flow).

• Команда выполняется, когда ее резу-льтат требуется другой команде (demand driven).

• Команда выполняется, когда появля-ются частичные образы данных (pattern driven).

Page 9: Архитектура современных   ЭВМ

Узкие места архитектуры фон Неймана

• Последовательное выпол-нение команд.

• Хранение данных и прог-раммы в одном ОЗУ.

• Один канал связи.

Page 10: Архитектура современных   ЭВМ

Усовершенствования архитектуры фон

Неймана

• Усовершенствования в области CБИС-технологий.• Программного обеспечения. • Архитектурные

усовершенствования.

Page 11: Архитектура современных   ЭВМ

Прогресс в СБИС-технологиях. Закон Мура

Page 12: Архитектура современных   ЭВМ

Усовершенствование ПО

• Языки программирования ВУ.• Компиляторы.• Библиотеки подпрограмм.• Параллельные языки програм-

мирования.• Коммуникационные

библиотеки.

Page 13: Архитектура современных   ЭВМ

Архитектурные усовершенствования

Оптимизация подсистемы памяти

• Контроллер памяти• Высокоскоростная

шина• Кэш и иерархия памяти• Виртуальная память• Аппаратная

предвыборка данных и команд

Оптимизация выполнения команд

• Конвейеризация• Упрощение набора

команд• Истинный параллелизм

– Данные – Инструкции– Потоки– Программы

Page 14: Архитектура современных   ЭВМ

Очень сложное ядро

Page 15: Архитектура современных   ЭВМ

Характеристикисуперкомпьютера Roadrunner

(№1 http://www.top500.org)

• Процессоры– PowerXCell 8i 3.2 ГГц (12 240 шт.)– Opteron DC 1.8 ГГц (6 562 шт.)

• Всего ядер 122 400• Общая память 98 Тбайт• Производительность

– 1026 TFlops (макс)– 1375.78 TFlops (пиковая)– 437 MFlops/watt

• Энергопотребление 2.35 мегаватт

Page 16: Архитектура современных   ЭВМ

Иерархия памяти

КЭШ данных

КЭШ команд

Общий КЭШ

второго уровня

ПА

МЯ

ТЬ

Данные

Команды

Page 17: Архитектура современных   ЭВМ

Конвейер команд

1 2

1 2

1 2

1 2

1 2

Ступени

Выборка команды

Декодирование команды

Выборка операндов

Вычисление операции

Запись результата

Время

1я к

оман

да

1я к

оман

да

22я ко

манда

я ко

манда

3

3

3

33я ко

манда

я ко

манда

Page 18: Архитектура современных   ЭВМ

Конвейер команд

1 2 3 4 5 6

1 2 3 4 5 6

1 2 3 4 5 6

1 2 3 4 5 6

1 2 3 4 5 6

Ступени

Выборка команды

Декодирование команды

Выборка операндов

Вычисление операции

Запись результата

Время

Латентность конвейера

1я к

оман

да

1я к

оман

да

22я ко

манда

я ко

манда

33я ко

манда

я ко

манда

7

7

7

7

7

8

8

8

8

8

9

9

9

9

9

Все ступени конвейера активны

Page 19: Архитектура современных   ЭВМ

Параллелизм на уровне инструкций (ILP)

INT

FP

MEM

BR

Окно команд

Page 20: Архитектура современных   ЭВМ

Параллелизм на уровне инструкций (ILP)

Время

Page 21: Архитектура современных   ЭВМ

Параллелизм на уровне нитей (TLP)

INT

FP

MEM

BR

Окно команд

Окно команд

Нить №1

Нить №2

Page 22: Архитектура современных   ЭВМ

Параллелизм на уровне нитей (TLP)

Время

Нить №1

Нить №2

Page 23: Архитектура современных   ЭВМ

Многоядерность(Multi-Core)

Окно команд

Окно команд

Процесс №1

Процесс №2

Page 24: Архитектура современных   ЭВМ

Основные проблемы

• Power Wall – стена мощности• Процессоры греются

• Memory Wall – стена памяти• Память медленнее процессоров

• Frequency Wall – стена частоты• Транзисторы маленькие, процессоры большие

• Complexity Wall – стена сложности• Процессоры больше управляют вычислениями,

чем вычисляют

Page 25: Архитектура современных   ЭВМ

Итоги

• Современные архитектуры произрастают из корняфон-Неймана

• Оптимизации идут экстенсивно вплоть до стен (walls)

Page 26: Архитектура современных   ЭВМ

Разработка IBM: 500 GHz

Page 27: Архитектура современных   ЭВМ

Intel Polaris80 ядер, 1 ТФлопс

Page 28: Архитектура современных   ЭВМ

University of Texas at Austin

Page 29: Архитектура современных   ЭВМ

Алмазные кристаллы

• 1000 vs 150 °C• 200 vs 20 Вольт