KỸ THUẬT ỐNG DẪN KIẾN TRÚC NÂNG CAO. TS. Phạm Công Thắng Bộ môn hệ thống nhúng Khoa Công Nghệ Thông Tin

Chương 11: Kỹ thuật ống dẫn kiến trúc nâng cao TS Phạm Công Thắng Bộ môn hệ thống nhúng Khoa Công Nghệ Thông Tin Trường Đại học Bách Khoa Đại học Đà Nẵng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt • Kiến trúc RISC CISC • Pipeline • Superscalar Processors • Branch Prediction, Register Renaming • Multiprocessor • Mơ hình SIMD • Mơ hình MIMD • Mạng kết nối CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Kiến trúc CISC RISC • CISC (Complex Instruction Set Computer) • Máy tính với tập lệnh phức tạp, chẳng hạn dịng chip x86 Intel) • Những nhà thiết kế VXL cố gắng để lệnh thực nhiều chức tốt Điều dẫn đến lệnh làm tất cơng việc • Ví dụ nạp số cần cộng, cộng chúng lại, cuối lưu trở lại vào nhớ Cũng lệnh lại đọc số từ ghi số cịn lại từ nhớ sau lưu kết vào nhớ CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Kiến trúc CISC RISC • RISC (viết tắt Reduced Instructions Set Computer) • Máy tính với tập lệnh đơn giản hóamột phương pháp thiết kế vi xử lý (VXL) theo hướng đơn giản hóa tập lệnh, thời gian thực thi tất lênh • Hiện vi xử lý RISC phổ biến ARM, SuperH, MIPS, SPARC, DEC Alpha, PA-RISC, PIC, PowerPC IBM CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Kiến trúc CISC RISC CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Kiến trúc CISC RISC • Khác biệt RISC so với CISC • CISC • Được thiết kế nhằm tạo thuận lợi cho nhà lập trình ứng dụng cách rút gọn nhiều câu lệnh đơn giản, thông dụng thành câu lệnh thực thi dài Điều làm cho CISC xử lý chậm lại đạt yếu tố thân thiện • RISC • Thực nhanh thân thiện hơn, câu lệnh đơn giản RISC phục vụ cho mục đích hẹp cụ thể, thực nhanh lệnh tiến hành song song RISC địi hỏi nhà lập trình phải kiên nhẫn, giỏi trình biên dịch tối ưu kỹ lưỡng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Pipeline • Trong máy tính đại, CPU tổ chức để song song hố nhiều cơng đoạn chu kỳ xử lý lệnh • CPU khơng lấy lệnh nhớ mà lấy khối lệnh đặt sẵn cache để giảm thiểu thời gian truy cập nhớ nhiều lần • Khi nhiều lệnh đưa lên cache thực lệnh, đồng thời đọc liệu cho lệnh thứ hai giải mã lệnh thứ theo thứ tự Cơ chế gọi pipeline (đường ống) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Pipeline • Giả sử có lệnh lệnh thực khoản thời gian Mỗi lệnh thực giai đoạn va giai đoạn thực chu kỳ xung nhịp • Các giai đoạn thực lệnh là: • Lấy lệnh (IF:Instruction Fetch), • Giải mã (ID: Instruction Decode), • Thi hành (EX: Execute), • Truy nhập nhớ (MEM: Memory Access), • Lưu trữ kết (RS: Result Storing) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Pipeline • Kiểu xử lý thong thường, lệnh thực 25 chu kỳ xung nhịp • Thi xử ly lệnh theo kỹ thuật ống dẫn thực lệnnh chu kỳ xung nhịp CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Pipeline • Kỹ thuật ống dẫn làm tăng tốc độ thực lệnh Tuy nhiên kỹ thuật ống dẫn có số ràng buộc: • Cần phải có mạch điện để thi hành giai đoạn lệnh tất giai đoạn lệnh thi hành lúc • Trong xử lý khơng dùng kỹ thuật ống dẫn, ta dùng làm toán ALU để cập nhật ghi PC, cập nhật địa toán hạng nhớ, địa nhớ mà chương trình cần nhảy tới, làm phép tính tốn hạng phép tính xảy nhiều giai đoạn khác • Phải có nhiều ghi khác dùng cho tác vụ đọc viết (trong ví dụ chu kỳ xung nhịp, ta thấy lúc có tác vụ đọc (ID, MEM) tác vụ viết (RS) 10 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Kiến trúc siêu máy tính • Siêu máy tính dạng Massively Parallel Processors (MPP), tức máy tính bự • Có hàng nghìn CPU RAM Chúng nối với theo chuẩn mạng đặc biệt tốc độ siêu cao không xài thứ phổ thông cluster • Mỗi CPU có nhớ riêng hệ điều hành/ứng dụng riêng MPP chiếm 17,8% thị phần siêu máy tính, theo TOP500 Siêu máy tính IBM Blue Gene/L (đứng thứ giới vào năm 2009) thiết kế dạng MPP 73 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Phần cứng siêu máy tính • Số CPU vài chục nghìn chuyện bình thường siêu máy tính • Cần đến ổ lưu trữ, ổ HDD, SSD không nằm máy (device attached storage - DAS) PC • Chúng thường bố trí tủ riêng (storage area network SAN), có kết nối mạng riêng dung lượng "khủng" 74 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Phần cứng siêu máy tính • Ở siêu máy tính dạng cluster, • Thường ghép nhiều "nút" (node) nhỏ lại với để tạo hệ thống lớn hình bạn thấy bên • Mỗi nút xem máy tính gần hồn chỉnh với nhiều CPU, GPU, nhiều RAM, quạt tản nhiệt số thành phần khác • Các nút kết nối với theo nhiều cách, dùng cáp đồng bình thường, chuyển sang dùng cáp quang để đảm bảo băng thông tốt • Sức mạnh siêu máy tính sức mạnh tổng hợp từ tất node lại với 75 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Phần cứng siêu máy tính • Ngồi CPU đơn thuần, người ta cịn sử dụng thêm GPGPU (general purpose graphic processor unit) để tăng cường sức mạnh cho siêu máy tinh • GPU sử dụng để dựng hình ảnh, xử lí thứ liên quan đến đồ họa, ngồi chúng cịn xử lí số liệu làm số cơng việc tương tự CPU • Hiện giá thành GPGPU giảm, hiệu suất lại tăng cao nên ngày nhiều siêu máy tính "nhờ vả" vào linh kiện để tăng sức mạnh đảm bảo chi phí khơng bị đội lên q nhiều 76 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Phần cứng siêu máy tính • Siêu máy tính mạnh giới (tính đến 5/2013) mang tên Titan đặt Mỹ dùng 18.688 GPU NVIDIA Tesla K20 bên cạnh 18.688 CPU AMD Opteron 16 nhân, tổng số nhân CPU máy 299.008, số khổng lồ so với máy tính hay nhân Một số tủ thuộc Titan 77 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Phần cứng siêu máy tính • Một node siêu máy tính Titan, có CPU AMD Opteron 16 nhân GPU NVIDIA Tesla K20 (kiến trúc xây dựng Kepler) RAM node 32GB, cộng với 6GB nhớ GDDR5 card đồ họa Tổng cộng có 710 Terabyte nhớ Titan.​ 78 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Đo đạc hiệu siêu máy tính • Máy tính bình thường đo MIPS (instructions per second - số dẫn thực giây) FLOPS thêm số tiếp đầu ngữ hệ đo lường SI tera- (TFLOPS, tức 1012 FLOPS, đọc teraflops), peta (1015 FLOPS) • Khả tính tốn siêu máy tính đo FLOPS (FLoating Point Operations Per Second - phép tính dấu chấm động thực giây), 79 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Đo đạc hiệu siêu máy tính • Các siêu máy tính hàng đầu giới bước sang ngưỡng Petaflops • IBM Roadrunner năm 2008 1,105 Petaflops, Fujitsu K năm 2011 đạt mức 10,51 Petaflops, Cray Titan mạnh 17.59 Petaflops Người ta dự đoán sau khoảng 10 năm nữa, siêu máy tính sớm bước sang hàng Exaflops (1018 FLOPS) cơng nghệ CPU GPGPU tăng trưởng vượt bậc, giá thành lại rẻ hiệu tiêu thụ điện ngày nâng cao • Những số FLOPS đo phần mềm tên Linpack 80 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Đo đạc hiệu siêu máy tính • Tuy nhiên cần phải nói thêm khơng số đứng riêng lẻ phản ánh tồn hiệu máy tính nói chung siêu máy tính nói riêng • Có hai số thể nói tới siêu máy tính: • Hiệu tính tốn dấu chấm động lý thuyết vi xử lí (kí hiệu Rpeak) • Rpeak gần khơng thể đạt đời thực • Hiệu xử lí đầu vào (Rmax) • Rmax hồn tồn đạt đến siêu máy tính chạy Tất số FLOPS Rmax 81 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Một số ứng dụng siêu máy tính • Dự báo thời tiết, nghiên cứu khí động học, nghiên cứu biến đổi khí hậu, mơ động đất • Phân tích xác suất, dựng mơ hình phóng xạ • Mô vụ nổ hạt nhân không gian 3D • Lượng tử học, phân tử học, sinh học tế bào, nghiên cứu gấp khúc protein • Mơ não người • Nghiên cứu dựng mơ hình tượng vật lý 82 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Một số ứng dụng siêu máy tính • Nghiên cứu mơ trí tuệ nhân tạo • Tái tạo vụ nổ Bigbang (do siêu máy tính trung tâm Texas Advanced Computing Center thực hiện), nghiên cứu vật chất tối • Nghiên cứu thiên văn học • Dựng mơ hình lây lan dịch bệnh • Chơi cờ vua! (siêu máy tính Deep Blue IBM đánh bại đại kiện tướng Garry Kasparov vào năm 1997) 83 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Một số ứng dụng siêu máy tính • Ảnh mơ siêu máy tính Cơ quan Khí tượng Hải dương Mỹ (NOAA) dựng siêu máy tính họ​ 84 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Thị phần siêu máy tính 85 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Thị phần siêu máy tính 86 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt HẾT CHƢƠNG 87 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt