計算機組成與體系結構 課件 14計算機性能量化評價方法

計算機性能量化評價方法計算機組成與體系結構性能指標、模型及定律如何評價計算機的性能？計算機用戶程序運行時間響應時間管理員吞吐量（throughput）單位時間內(nèi)所能完成的工作量宏觀評價指標響應時間服務時間等待時間傳輸時間吞吐量：單位時間內(nèi)完成事務/任務的數(shù)量功耗動態(tài)功耗Consumedbyactivityinacircuit靜態(tài)功耗ConsumedwhenpoweredonbutidleActivePower

Capacitance~chipareaVoltagefrequencyActivityfactorStaticPowerVoltageLeakage基本性能指標機器字長存儲容量內(nèi)存外存處理器評價指標MIPS(MillionInstructionPerSecond)FLOPS(FloatingPointOperationPerSecond)CPI(CyclePerInstruction)TOPS(TeraOperationsperSecond)MIPS程序的執(zhí)行時間為：MIPS的缺陷MIPS依賴于指令集，所以用MIPS來比較指令集不同的機器的性能的好壞是很不準確的在同一臺機器上，MIPS因程序而異，有時變化是很大的MIPS可能與性能相反MFLOPSMillionFloatingPointOperationsPerSecond基于操作而不是基于指令的，所以它可以用來比較兩種不同的機器MFLOPS的局限性MFLOPS取決于機器和程序兩個方面只能用來衡量機器浮點運算操作的性能，而不能體現(xiàn)機器的整體性能不同機器上浮點運算集不同，另外MFLOPS還依賴于操作類型CPI和CPU執(zhí)行時間每條計算機指令執(zhí)行所需的時鐘周期，有時簡稱為指令的平均周期數(shù)。主頻，即CPU內(nèi)核工作的時鐘頻率（CPUClockSpeed）CPU執(zhí)行時間：表示CPU執(zhí)行一段程序所占用的CPU時間

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

：加速比與處理器數(shù)n的比值，即E(n)=S(n)/n。效率是對每個處理器可獲得加速的度量，可用來衡量多個處理器的利用率。E(n)的取值在0與1之間。理想性能模型E(n)=1不考慮通信開銷，全部程序都可通過并行執(zhí)行加速考慮通信開銷的模型若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n>>1時，近似為1。具有串行部分的模型-無通信開銷具有串行部分的模型-有通信開銷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基準性能測試基準測試程序基準測試程序（benchmark）集是指使用一組專門設計的整數(shù)或浮點數(shù)程序，去測試待測計算機系統(tǒng)性能的不同方面四種來源實際的應用程序核心程序：實際程序中抽取少量關鍵循環(huán)程序段玩具基準測試程序：通常只有10-100行而且運行結果是可以預知的綜合基準測試程序：它類似于核心程序，但它考慮了各種操作和各種程序的比例常用的基準測試程序Linpack(Linearsystempackage)：用IEEE754雙精度64位字長的子程序求解100階線性方程組的速度，測試結果以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20世紀70年代中期開始，國際上曾開發(fā)過一批基于FORTRAN語言的求解線性代數(shù)方程組的子程序，并于1979年正式發(fā)布了Linpack包Linpack測試的基準是用IEEE754雙精度64位字長的子程序求解100階線性方程組的速度，測試結果以Mflops或Gflops為單位給出Linpack也被廣泛的應用于實際計算中，用來分析和求解線性方程組和線性最小二乘法問題Linpack測試包括三類，Linpack100、Linpack1000和HPL(HighPerformanceLinpack)Linpack(2)目前，TOP500仍以執(zhí)行Linpack測試的峰值運算速度作為排名依據(jù)使用Linpack基準測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)?；騿栴}規(guī)模；Rmax：在Nmax規(guī)定的問題規(guī)模下，達到的最大Gflops。綜合基準測試集——SPECStandardPerformanceEvaluationCorporation是一個非營利性組織，于1988年成立SPEC的基準測試程序全部選自實際的應用程序，提供標準、公正并可在各種硬件結構間進行高強度計算性能比較的方法它所發(fā)布的測試結果已經(jīng)成為世界公認的計算機性能評價標準之一與Linpack有所不同，SPEC是一個合成（綜合）的基準測試程序集，既包括浮點數(shù)運算測試，也包括整數(shù)運算測試/SPEC92SPEC92由兩套測試程序組成：CINT92和CFP92CINT92由6個測試整數(shù)性能的C程序組成，而CFP92則由14個測試浮點性能的C和FORTRAN程序組成在SPEC92中，SPECratio代表實際執(zhí)行指定程序時間和預先確定的參照時間（通常取VAX11/780的執(zhí)行時間）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化簡布爾函數(shù)的程序gccGNU編譯器eqntott邏輯設計程序sc電子表格程序liLisp解釋器SPEC92浮點程序(CFP92)程序描述/領域alvinn神經(jīng)網(wǎng)絡/機器人doduce核反應堆模擬/物理學ear耳朵模擬/醫(yī)學fpppp電子積分/化學hydro2d噴氣計算/天體物理mdljdp2運動方程/化學（雙精度）mdljsp2運動方程/化學（單精度）nasa7浮點內(nèi)核ora光線跟蹤/光學spice電路模擬器/電路設計su2cor粒子質量/量子物理學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高性能計算術語高性能計算（HPC/HEC）：沒有一個嚴格的定義HPC：HighPerformanceComputing，高性能計算HEC：HighEndComputing，高端計算并行計算：ParallelComputing彼此關系高性能計算=并行計算高性能計算機=并行計算機不很嚴格，但得到了廣泛的認可需要高性能計算技術？時間復雜度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3n0.06毫秒6.5年1.3×1013世紀人類對計算能力的需求永無止境時間代價表（每秒處理1,000,000次基本操作的PC機）高性能計算的三類需求計算密集(computeintensive)如大型科學工程計算、數(shù)值模擬等數(shù)據(jù)密集(dataintensive)數(shù)字圖書館、數(shù)據(jù)倉庫、數(shù)據(jù)挖掘等網(wǎng)絡密集(networkintensive)協(xié)同工作、遙控、遠程醫(yī)療等高性能計算技術的重要性許多高精尖應用領域對計算能力的極大需求，使高性能計算技術成為了決定軍事、經(jīng)濟和科技領先地位的關鍵因素構造高性能計算機就成為該技術的核心內(nèi)容高性能計算機更是國家綜合國力的象征各國政府都不惜投入巨資開發(fā)自己的高性能計算機研究背景高性能計算機的開發(fā)具有極為濃厚的政治軍事背景美國政府擔心其它核武器擁有國對美國國防形成核威脅，試圖全面限制核試驗，但禁止核試驗和限制核武器的發(fā)展，使美國把核技術作為決定性武器來發(fā)展的傳統(tǒng)戰(zhàn)略陷入困境美國能源部推出了ASCI計劃，以擺脫核武器發(fā)展面臨的困境ASCI計劃的目的，是利用高技術創(chuàng)造核武器試驗的虛擬空間，并在這個空間中開展虛擬試驗（VirtualTesting），高性能計算機的研制是ASCI計劃的重要組成部分美國ASCI計劃(1)全稱為AcceleratedStrategicComputingInitiative，加速戰(zhàn)略計算創(chuàng)新1996年6月由美國能源部聯(lián)合三大核武器實驗室（圣地亞哥、洛斯·阿拉莫斯、勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室）共同提出ASCI計劃的目的在2010年之前開發(fā)出高性能、全系統(tǒng)、全物理現(xiàn)象的預測程序以支持核武器的性能評定、更新過程分析、偶發(fā)事件的分析及確認刺激美國計算機工業(yè)的發(fā)展。ASCI項目的最終目標是研制出100萬億次的超級計算機系統(tǒng)及相應的軟件和算法美國ASCI計劃(2)該計劃分五個階段完成該計劃分五個階段完成，分別研制1萬億次、3萬億次、10萬億次、30萬億次和100萬億次的系統(tǒng)截止到2000年6月，第一、二和三階段的開發(fā)任務已完成，分別稱為紅色（Red）、藍色（Blue）和白色（White）取得的成果為：英特爾研制的“ASCIRed”超級計算機；SGI和IBM分別研制的“藍山”和“藍色太平洋”超級計算機；IBM研制出了“ASCIWhite”超級計算機美國ASCI計劃(3)在第一階段，Intel研制出了“ASCIRed”超級計算機，安裝在桑迪亞國家實驗室；在第二階段，SGI和IBM分別研制出了“藍山（ASCIBlueMountain）”和“藍色太平洋（ASCIBluePacific）”超級計算機，分別安裝于洛斯·阿拉莫斯和勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室；在第三階段，IBM研制出了“ASCIWhite”超級計算機，并在2001年年底安裝于勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室，正式投入使用.美國ASCI計劃(4)1997年，ASCI針對第四、第五階段出臺了“PathForward”子計劃，研究超級計算所需的關鍵技術，如網(wǎng)間互聯(lián)、編程環(huán)境、負載均衡、單一系統(tǒng)映像、資源管理和海量存儲等技術