Регистры расширений MMX, SSE. 2 страница

Суть матричной структуры заключается в том, что имеется множество процессорных элементов, исполняющих одну и ту же команду над различными элементами матрицы, объединенных коммутатором. Основная проблема заключается в программировании обмена данными между процессорными элементами через коммутатор.

Рис. 1.5. Классификация способов организации SIMD-архитектуры

Общим для всех векторных компьютеров является наличие в системе команд векторных операций, допускающих работу с векторами определенной длины. В таких компьютерах операции с векторами обычно выполняются над содержимым векторных регистров.

Следующим шагом по пути использования SIMD-архитектуры в микропроцессорах фирмы Intel (Pentium III) явились потоковые SIMD-расширения – Streaming SIMD Etension (SSE),которые реализуют новые SIMD-инструкции, оперирующие со специальными 128-битными регистрами. Каждый из этих регистров может хранить несколько упакованных целочисленных или вещественных данных. Таким образом, выполняя операцию над содержимым двух регистров под управлением команды SSE, процессор может обработать несколько пар операндов одновременно.

Несколько раньше то же самое было сделано фирмой AMD – расширение 3DNow!, которое было реализовано уже в процессорах К6-2 с введением новых инструкций, оперирующих с 64-битными регистрами.

Данное направление получило развитие и в следующих поколениях процессоров корпораций Intel и AMD. Современные процессоры Intel поддерживают потоковые расширения SSE, SSE2, SSE3, SSSE3, SSE4.

1.1.5. Многоядерные структуры процессора и многопотоковая обработка команд

Корпорация Intel, лидер в разработке микропроцессоров с х86 архитектурой, ежегодно на протяжении долгого времени увеличивала производительность своих процессоров преимущественно за счет увеличения тактовой частоты и использования гиперконвейерной технологии выполнения команд, что в свою очередь значительно увеличивало энергопотребление и, соответственно, количество выделяемой процессором тепловой энергии. Это привело к тому, что компания уперлась в энергетический предел, ограничивающий возможности наращивания производительности процессорных кристаллов традиционными способами. Перед компанией Intel остро встала проблема разрешения противоречия между производительностью процессора и энергопотреблением.

Использование многоядерных структур процессора является одним из путей решения этой проблемы. Совмещение в одном процессоре двух вычислительных ядер позволяет удерживать рассеиваемую им мощность в допустимых пределах за счет сравнительно незначительного понижения тактовой частоты ядер: при снижении рабочей частоты на 20 % производительность ядра падает примерно на 13 %, а энергопотребление – на 50 %. При этом двухъядерный процессор все равно существенно выигрывает в производительности (при тех же условиях до 70 %) за счет увеличения количества команд, выполняемых в процессоре за один такт, но для этого необходимо на программном уровне обеспечить загрузку обоих ядер, для чего требуется соответствующая оптимизация программного кода.

Первыми стали использовать двухъядерные структуры разработчики RISC-процессоров:

· компания IBM ( процессоры Power 4, 5, Power PC G5);

· Sun Microsystems (процессор Ultra Spare IV).

В настоящее время выпускается достаточно большое количество типов многоядерных процессоров различных фирм производителей (табл. 1.1). Можно сказать, что в развитии вычислительной техники с 2005 года наступила эра использования многоядерных структур процессоров.

Таблица 1.1

Примеры многоядерных процессоров

ххх – различные цифровые значения, определяющие модель процессора в составе линейки.

Другим направлением развития микропроцессорной индустрии на ближайшие годы будет многопоточность. Двупотоковая обработка команд на одном процессоре (ядре) основывается на том, что в каждый момент времени только часть ресурсов процессора (ядра) используется при выполнении программного кода. Неиспользуемые ресурсы также можно загрузить работой, например, задействовать для параллельного выполнения еще одного приложения. В этом случае операционная система (ОС) и приложения «видят» именно два логических процессора (ядра) и могут распределять работу между ними, как и в случае полноценной двухпроцессорной системы (см. рис. 1.6).

Для того, чтобы использовать технологии многопоточности, необходимы эффективные компиляторы, которые разработаны и поставляются вместе с микропроцессорами.

Рис. 1.6. Многопоточность в сравнении с другими способами обработки команд

Технологии многопоточности в настоящее время используются различными фирмами:

· Intel – технология Hyper-Threading (HT), технология Simultaneous multithreading (SMT);

· Sun Microsystems – технология Chip Multithreading (CMT);

· Fujitsu Siemens Computer – технология Vertical Multithreading (VMT).

Применение многоядерной структуры одновременно с технологией многопоточности увеличивает количество используемых логических процессоров (ядер) в 2 раза (Core i7, Itanium 2, Xeon), в 4 раза (Ultra SPARC T1), в 8 раз (Ultra SPARC T2), что существенно увеличивает производительность физического процессора.

1.2. Технические и эксплуатационные характеристики ЭВМ

Производительность компьютера (только заголовок)

Основным техническим параметром ЭВМ является её производительность. Этот показатель определяется архитектурой процессора, иерархией внутренней и внешней памяти, пропускной способностью системного интерфейса, системой прерывания, набором периферийных устройств в конкретной конфигурации, совершенством ОС и т. д.

Различают следующие виды производительности:

· пиковая (предельная) – это производительность процессора без учета времени обращения к оперативной памяти (ОП) за операндами;

· номинальная – производительность процессора с ОП;

· системная – производительность базовых технических и программных средств, входящих в комплект поставки ЭВМ;

· эксплуатационная – производительность на реальной рабочей нагрузке, формируемой в основном используемыми пакетами прикладных программ общего назначения.

Методы определения производительности разделяются на три основных группы:

· расчетные, основанные на информации, получаемой теоретическим или эмпирическим путем;

· экспериментальные, основанные на информации, получаемой с использованием аппаратно-программных измерительных средств;

· имитационные, основанные на моделировании и применяемые для сложных ЭВМ.

Основные единицы оценки производительности:

· абсолютная, определяемая количеством элементарных работ, выполняемых в единицу времени;

· относительная, определяемая для оцениваемой ЭВМ относительно базовой в виде индекса производительности.

Для каждого вида производительности применяются следующие традиционные методы их определения.

Пиковая производительность (быстродействие) определяется средним числом команд типа «регистр-регистр», выполняемых в одну секунду без учета их статистического веса в выбранном классе задач.

Номинальная производительность (быстродействие) определяется средним числом команд, выполняемых подсистемой «процессор-память» с учетом их статистического веса в выбранном классе задач. Она рассчитывается, как правило, по формулам и специальным методикам, предложенным для процессоров определенных архитектур, и измеряется с помощью разработанных для них измерительных программ, реализующих соответствующую эталонную нагрузку.

Для данных типов производительностей используются следующие единицы измерения:

· MIPS (Mega Instruction Per Second) – миллион команд в секунду;

· MFLOPS (Mega Floating Operations Per Second) – миллион операций над числами с плавающей запятой в секунду;

· GFLOPS (Giga Floating Operations Per Second) – миллиард операций над числами с плавающей запятой в секунду;

· TFLOPS (Tera Floating Operations Per Second) – триллион операций над числами с плавающей запятой в секунду.

· PFLOPS (Peta Floating Operations Per Second) – квадриллион операций над числами с плавающей запятой в секунду.

Эксплуатационная производительность оценивается на основании использования данных о реальной рабочей нагрузке и функционировании ЭВМ при выполнении типовых производственных нагрузок в основных областях применения. Расчеты делаются главным образом на уровне типовых пакетов прикладных программ текстообработки, систем управления базами данных, пакетов автоматизации проектирования, графических пакетов и т. д.

Была создана целая процедура тестирования True Performance Initiative (процедура измерения реальной производительности). Методика TPI состоит в измерении эксплуатационной производительности в трех разделах: Productivity – программные приложения; Visual Computing – компьютерная визуализация; Gaming – компьютерные игры.

Для первого раздела используются тесты: Sysmark2007, Mathematica 6, 3ds Max 9 (SPECapc) и др.; для второго – Photoshop CS 3, After Effects CS3, Win RAR 3.7; для третьего – 3DMark2006, Quake 4 и др.

Энергоэффективность процессора

В последнее время при сравнении процессоров пользуются отношением производительности к энергопотреблению, которое получило название энергоэффективностью процессора. Разработчики процессоров предложили оценивать производительность (Р) как произведение тактовой (рабочей) частоты процессора (f) на величину k, определяющую количество инструкций, исполняемых процессором за один такт:

P = f · k

Получается, что увеличить производительность можно, поднимая частоту и/или увеличивая количество инструкций, выполняемых за один такт. Первый подход ведет к увеличению энергопотребления, а второй требует использования определенной микроархитектуры процессора (многоядерной), в которой заложены различные технологии, направленные на повышение количества инструкций, выполняемых процессором за один такт.

Что касается энергопотребления (W), то оно вычисляется как произведение тактовой частоты (f) процессора на квадрат напряжения U, при котором функционирует процессорное ядро, и некоторую величину Cd (динамическая емкость), определяемую микроархитектурой процессора и зависящую от количества транзисторов в кристалле и их активности во время работы процессора:

W = f · U² · Cd

Из приведенных формул вытекает следующее соотношение, определяющее энергоэффективность процессора:

P/W = k / (U² · Cd)

Из формулы следует, что для получения наилучшего показателя разработчикам необходимо работать над оптимизацией микроархитектуры с целью улучшения функциональности исполнительных блоков, при этом не допуская чрезмерного увеличения динамической емкости. Что касается тактовой частоты, то, как показывают приведенные выкладки, на рассматриваемое соотношение она вообще не влияет. Напряжение питания ядра зависит не столько от микроархитектуры, сколько от технологических особенностей изготовления процессора.

Любой современный кристалл процессора состоит из огромного количества транзисторов, исчисляемого миллионами, необходимого для достижения высокой производительности процессора. Уменьшение размеров транзистора ведет к уменьшению напряжения питания, что в свою очередь снижает энергопотребление, к увеличению скорости работы и плотности размещения транзисторов на кристалле. Поэтому со времени создания первой интегральной микросхемы в 1959 году развитие микроэлектроники идет по направлению уменьшения размеров транзисторов и одновременного увеличения плотности их размещения на кристалле. Для оценки этих параметров была введена специальная характеристика «Норма технологического процесса производства полупроводниковых кристаллов», измеряемая в нанометрах (нм). В недалеком прошлом (конец 90-х годов) кристаллы процессоров изготавливались по 130-нм нормам, затем по 90-нм, 65-нм нормам, с 2007 года используются 45-нм, а с 2009 г. – 32 нм нормы технологического процесса. Спроектированный в Intel по 45-нм нормам транзистор примерно на 20 % опережает своего 65-нм собрата по скоростным характеристикам и оказывается примерно на 30 % экономичнее с точки зрения затрат энергии на переключение.

Часто вместо характеристики «энергопотребление» используют характеристику «рассеиваемая тепловая мощность» процессора. Для этого используется специальный термин TDP, который расшифровывается по-разному – thermal design power или thermal design point или thermal design package – «термопакет», но суть одна, – это величина, показывающая, на отвод какой тепловой мощности должна быть рассчитана система охлаждения процессора.

Как правило, TDP показывает не максимальное теоретическое тепловыделение процессора, а типичное тепловыделение в реальных приложениях. Иногда, при длительных нагрузках на процессор (например, при кодировании видео) температура процессора может превысить заданный TDP. В этих случаях современные процессоры или дают сигнал выключения компьютера или переходят в так называемый режим троттлинга (trottling), когда процессор пропускает часть циклов.

К другим технико-эксплуатационным характеристикам ЭВМ относятся:

· разрядность обрабатываемых слов и кодовых шин интерфейса;

· типы системного и локальных интерфейсов;

· тип и емкость оперативной памяти;

· тип и емкость накопителя на жестком магнитном диске;

· тип и емкость кэш-памяти;

· тип видеоадаптера и видеомонитора;

· наличие средств для работы в компьютерной сети;

· наличие и тип программного обеспечения;

· надежность ЭВМ;

· стоимость;

· габариты и масса.

1.3. Классификация ЭВМ

1.3.1. Классификация ЭВМ по назначению

Универсальные ЭВМпредназначены для решения самых различных видов задач: научных, инженерно-технических, экономических, информационных, управленческих и др. В качестве универсальных ЭВМ используются различные типы компьютеров, начиная от супер-ЭВМ и кончая персональными ЭВМ. Причем одни универсальные ЭВМ могут работать в многопользовательском режиме (в вычислительных центрах коллективного пользования, в локальных компьютерных сетях и т. д.), другие – в однопользовательском режиме.

Проблемно-ориентированные ЭВМслужат для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами, автоматизированным проектированием, разведкой и добычей нефти, банковским делом, издательской деятельностью и т. д.

Специализированные ЭВМиспользуются для решения еще более узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций. Такая узкая ориентация ЭВМ позволяет четко специализировать их структуру, во многих случаях существенно снизить их сложность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности их работы.

1.3.2. Классификация ЭВМ по функциональным возможностям

Функциональные возможности ЭВМ обуславливаются основными технико-эксплуатационными характеристиками.

Исторически первыми появились большие ЭВМ, элементная база которых прошла путь от электронных ламп до интегральных схем со сверхвысокой степенью интеграции.

Большие ЭВМ

Большие ЭВМ за рубежом часто называют мэйнфреймами (Mainframe). Мэйнфрейм – это высокопроизводительная вычислительная система с большим объемом оперативной и внешней памяти, поддерживающая многопользовательский и многозадачный режимы работы.

Особенности и характеристики современных мэйнфреймов

1.Высокая надежность (среднее время наработки на отказ оценивается в 12–15 лет) – результат почти 60-летнего совершенствования мэйнфреймов.

2. Повышенная устойчивость систем. Мэйнфреймы могут обнаруживать, исправлять и изолировать большинство аппаратных и программных ошибок.

3. Целостность данных. В мэйнфреймах используется память с исправлением ошибок.

4. Рабочая нагрузка мэйнфреймов может составлять 80–95 % от их пиковой производительности.

5. Высокая пропускная способность подсистемы ввода-вывода (канальная архитектура).

6. Масштабированиеможет быть как вертикальным, так и горизонтальным. Вертикальное масштабирование обеспечивается наращиванием до 12 центральных процессоров в одном компьютере. Горизонтальное – реализуется объединением компьютеров в многомашинный (до 32 машин) кластер, выглядящий с точки зрения пользователя единым компьютером.

7. Доступ к данным.При централизованной обработке информации данные хранятся на одном компьютере, прикладные программы не нуждаются в сборе исходной информации из множества источников, как при распределенной обработке, не требуется дополнительное дисковое пространство для их временного хранения, не возникают сомнения в их актуальности. Все это ведет к повышению стоимости и эффективности обработки.

8. Защита.Встроенные аппаратные и программные средства защиты, такие как криптографические устройства, программные продукты защиты операционных систем, обеспечивают совершенную защиту информации.

9. Непрекращающаяся совместимость –до сих пор в мэйнфреймах используются приложения, написанные в 70-е годы. Историю мэйнфреймов принято отсчитывать с появления в 1964 году универсальной компьютерной системы IBM System/360. За последние десятилетия мэйнфреймам неоднократно предрекали скорую кончину, однако время доказало, что сбить с ног этих «старожилов» не так-то просто.

Централизованная архитектура остается востребованной, несмотря на преобладание в современном крупном бизнесе распределенных вычислительных систем. Сторонники мэйнфреймов утверждают, что такая архитектура обеспечивает нормальное функционирование системы при 100 %-ной нагрузке процессоров, тогда как производительность стандартных серверов ощутимо снижается уже при 65 %-ной нагрузке.

За долгие годы существования мэйнфреймов для них было разработано великое множество прикладного программного обеспечения, однако лучшим доказательством заинтересованности рынка является разработка и выпуск новых моделей этого класса.

До сегодняшнего дня бесспорным лидером в производстве мэйнфреймов является корпорация IBM. Начиная от серии System/360, затем 370, 390 и до серии z Series. Первые мэйнфреймы этой серии были z800, 890, 900, 990. В 2005 г. IBM объявила о выпуске новых машин z Series семейства «Z». Очень удачным экземпляром этого семейства была машина z9, которая эксплуатируется до сих пор. В 2008 г. компания IBM выпустила в свет мэйнфрейм System z10 Enterprise Class, представляющий собой 64-процессорную систему, в которой установлены новые процессоры с четырьмя ядрами и частотой 4,4 ГГц. Мэйнфрейм System z10 поддерживает операционные системы z/OS, z/OSe, z/VM, z/VSE, Linux и может обслуживать от сотен до миллионов пользователей в зависимости от приложений.

Основными направлениями эффективного применения мэйнфреймов являются: пакетная обработка заданий, когда компьютер выполняет работу без участия человека, и обработка заданий в реальном времени (On-line), например, транзакционные системы, такие как система приобретения железнодорожных билетов, система оплаты по кредитной карте и т. п.

В последние годы наметился повышенный интерес крупного бизнеса к мэйнфреймам, как центрам IT-инфраструктуры. Практика подтверждает: почти все мировые банки из списка Fortune Top 25 используют System z для обработки данных.

По мнению разработчиков, оптимальной моделью применения System z10 является центр обработки данных (ЦОД).

Супер-ЭВМ

Супер-ЭВМ – мощные, высокоскоростные вычислительные машины (системы) с производительностью от десятков триллионов (GFLOPS) до нескольких квадриллионов (PFLOPS) операций с плавающей запятой в секунду. Супер-ЭВМ выгодно отличаются от больших универсальных ЭВМ по быстродействию числовой обработки, а от специализированных машин, обладающих высоким быстродействием в сугубо ограниченных областях, возможностью решения широкого класса задач с числовыми расчетами.

В настоящее время развитие суперкомпьютеров идет по следующим направлениям: векторно-конвейерные компьютеры, параллельные компьютеры с общей памятью, массивно-параллельные системы с распределенной памятью, кластерные системы.

В 2009 г. был преодолен порог производительности суперкомпьютеров в 1 PFLOPS (10¹⁵ FLOPS). На сегодняшний день в мире насчитывается уже достаточно большое количество суперкомпьютеров, начиная от простых (офисных и персональных) и кончая мощными массивно-параллельными и кластерными системами.

Два раза в год формируется официальный список пятисот самых мощных суперкомпьютеров мира – Top500.

В мае 2010 года список Top500 возглавила система Jaguar – Cray XT5-HE, показавшая максимальную производительность на тесте Linpack в 1,759 PFLOPS (пиковая производительность – 2,331 PFLOPS), созданная старейшей американской суперкомпьютерной фирмой Cray Inc. Эта система разработана на шестиядерных процессорах AMD Opteron и содержит 224162 ядер, энергопотребление – 6950,6 киловатт. На втором месте впервые оказалась китайская система Nebulae компании Dawning с производительностью на тесте Linpack 1,27 PFLOPS. По показателю пиковой производительности Nebulae весьма серьезно вырвалась вперед (2,98 PFLOPS), использовав при этом почти в два раза меньше вычислительных ядер (120640). Есть основания полагать, что если китайцы озаботятся более тонкой настройкой своего кластера под Linpack, то уже в следующей редакции рейтинга пальма первенства перейдет именно к ним. Замыкает тройку лидеров кластер IBM Roadrummer, созданный на блэйд-серверах Blade Center QS22 и процессорах Power X Cell 8i, с максимальной производительностью 1,042 PFLOPS (пиковая производительность 1,375 PFLOPS), энергопотреблением – 2345 киловатт.

Большая часть систем, представленных в рейтинге (196), произведена компанией IBM, обогнавшей HP с ее 186 машинами. Среди производителей процессоров безоговорочно лидирует Intel – микропроцессоры этой компании использованы в 414-ти системах (83 %). А в качестве операционной системы производители традиционно предпочитают задействовать Linux (455 суперкомпьютеров).

В общенациональном зачете первенство остается за США – 282 системы. Далее следует Великобритания с 38 машинами, на третьем месте Франция с 27 кластерами, а вот четвертое и пятое места делят Германия и Китай – по 24 системы. Россия, представленная в списке 11 машинами, занимает седьмое место вслед за Японией с ее 18 системами. Наша страна в Top 500 сразу пятью новичками, однако первенство среди российских кластеров осталось за суперкомпьютером «Ломоносов» из научно-исследовательского центра МГУ, чья производительность по Linpack составляет 350,1 TFLOPS (13-я позиция в рейтинге). Создан этот суперкомпьютер российской компанией «Т-Платформ».

В качестве примера персонального суперкомпьютера можно привести вычислительную систему Octane III, представленную компанией SGI осенью 2009 г. Она построена на базе четырехъядерных процессоров Intel Xeon 5500. В настольном корпусе Octane III размещается до 10 вычислительных узлов с 20 процессорами и почти 1терабайт суммарной емкости оперативной памяти. Как утверждает SGI, новый суперкомпьютер работает очень тихо и поэтому его можно разместить даже на рабочем столе пользователя.

В каких рыночных нишах востребованы суперкомпьютеры? Прежде всего это проектирование самолетов и ракет, создание лекарств, предсказание погоды и природных катаклизмов, повышение эффективности электростанций и надежности автомобилей (преимущественно путем моделирования их столкновений) и фундаментальные научные исследования.

Микро-ЭВМ

Микро-ЭВМпо назначению можно разделить на серверы, рабочие станции, персональные компьютеры, встраиваемые и промышленные микро-ЭВМ (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Классификация микро-ЭВМ

Серверы

В настоящее время уже редко встретишь офис или предприятие, в котором бы не использовалась компьютерная сеть – время разрозненных персональных компьютеров давно ушло. Однако нагрузка, т. е. уровень сетевого трафика, на различные узлы в сети никогда не бывает равномерно распределенной – на пользовательских компьютерах она всегда меньше, чем на компьютерах, выполняющих служебные функции в сети – серверах(от англ. «serve» – служить).

Примером таких функций может быть хранение файлов и обеспечение доступа к ним пользователей (клиентов), маршрутизация потоков данных, управление печатью сетевого принтера, обработка писем электронной почты, рассылка факсов и т. д. Серверами также называются программы, выполняющие эти функции. Ниже под термином «сервер» будет пониматься в первую очередь аппаратное решение.

По функциональному назначению серверы можно подразделить (рис. 1.8) на файл-серверы, серверы приложений (чаще всего используются для баз данных и поддержки документооборота), FTP-серверы (для удаленного доступа к данным через Internet), серверы внешних устройств (печати, сканирования, факсимильной связи) и Web-серверы.

Поиск по сайту: