高等计算机系统结构ppt课件.ppt

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1、高等计算机系统结构清华大学计算机科学与技术系高性能计算研究所郑纬民教授2007年9月计算机科学与技术系研究生课程高等计算机系统结构第一章高等计算机的核心技术——并行处理第二章加速比性能模型与可扩展性分析第三章互连与通信第四章划分与调度第五章并行存储器系统第六章CacheCoherence第七章MemoryConsistency第八章指令级并行处理第九章微处理器设计与实现方法第十章网格计算高等计算机系统结构第十一章DSM第十二章传感器网络第十三章对等计算第十四章海量网络存储器第十五章多核CPU技术第十六章可信计算系统第十七章虚拟化技术第十八章

2、基于集群的海量数据处理第二章加速比性能模型与可扩展性分析2.1加速比性能分析2.1.1一般概念2.1.2加速比2.1.3三种加速比性能模型2.2可扩展性分析2.1加速比性能模型2.1.1一般概念1.处理机—时间积处理机数目与处理时间的乘积用以度量这些处理机运行时的资源利用率。若一程序在P台处理机上运行的时间为Tp，则此P台处理机在Tp时间间隔内完成的工作最大数量为Tp*P。可将处理机实际工作曲线对时间的积分看成是这些处理机完成的有效工作量。效率为有效工作量与最大工作量之比。2.并行度（DegreeOfParallelism—DOP）并行度

3、（DOP）是在一定时间间隔内执行一个程序所用的处理机的数目。3.并行性分布图执行一个给定的程序时DOP对时间的分布图。DOP与对应时间的间隔之积即为处理机要完成的工作或工作负载。下图所示为一个并行性分布图。DOPt1tt2并行性分布图2.1.2加速比1.绝对加速比将最好的串行算法与并行算法相比较.定义一（与具体机器有关）将最好的串行算法在一台上的运行时间与并行算法在N台运行的时间相比。定义二（与具体机器无关）将最好的串行算法在最快的顺序机上的执行时间与并行算法在并行机上的运行时间相比。2.相对加速比同一并行算法在单节点上运行时间与在多个相同

4、节点构成的处理机系统上的运行时间之比。这种定义侧重于描述算法和并行计算机本身的可扩展性。线性加速比：中间开销小，通信少，弱耦合计算超线性加速比：当应用需要大内存时可能出现病态加速比：加速比递减，可能是计算量太小2.1.3三种加速比性能模型1.固定负载加速比性能模型—Amdahl定律在许多实时应用领域，计算负载的大小常固定。在并行机中，此负载可分布至多台并行执行，获得的加速比称为fixed-loadspeedup。一个问题的负载可表示如下：W=Ws+Wp其中，Ws代表问题中不可并行化的串行部分负载，Wp表示可并行化的部分负载。则n个节点情况下

5、，加速比可以表示如下：设串行因子α为串行部分所占的比例。即代入即得Amdahl’law：不管采用多少处理机，可望达到的最好加速比：效率En可以表示为：处理机数目n越大，效率En越低。Amdahl定律告诉我们：系统中某一部件由于采用某种更快的执行方式后整个系统性能的提高与这种执行方式的使用频率或占总执行时间的比例有关。加速比的两个决定因素：1.计算机执行某个任务的总时间中可被改进部分的时间所占的百分比，即可被改进部分占用时间/改进前整个任务的执行时间，记为Fe，它总小于1。2.改进部分采用改进措施后比没有采用改进措施前性能提高的倍数，即改进前

6、改进部分执行时间/改进后改进部分执行时间，记为Se。例1：假设将某系统的某一部件的处理速度加快到10倍，但该部件的原处理时间仅为整个运行时间的40%，则整个系统的性能提高了多少？解：Fe=0.4，Se=10，例2：采用哪种实现技术来求浮点数平方根FPSQR的操作对系统的性能影响较大。假设FPSQR操作占整个测试程序执行时间的20%。一种实现方法是采用FPSQR硬件，使FPSQR操作的速度加快到10倍。另一种方法是使所有浮点数据指令的速度加快，使FP指令的速度加快到2倍，还假设FP指令占整个执行时间的50%。请比较这两种设计方案。解：Fe_F

7、PSQR=0.2，Se_FPSQR=10，Fe_FP=0.5，Se_FP=2，Amdahl’law又称为固定规模加速比模型，问题规模不随处理机变化而变化。固定问题规模，看用并行技术能达到的最短时间是多少。在固定规模加速比模型下，负载和执行时间随系统中处理机数目n变化的情况如下图：WsWpWsWpWsWpWsWpWorkloadN1234ExecutionTimeNTsTp1TsTp2TsTp3TsTp4固定负载执行时间随N增加而减少固定负载加速比模型下的负载和执行时间情况当处理器数目n=1024，加速比Sn随α变化的情况如下：得出曲线如下图

8、：91Snα102448312410可以比较不同的α对加速比带来的不同影响：α=0Snnα=0.01α=0.1α=0.9α=0时得到理想加速比，当α值增加时，加速比性能急剧下降。