异构、多核、可重构

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1、多核、异构、可重构——新一代计算机体系结构张惠臻2014年4月主要内容1.从单核到多核2.多核——从同构到异构3.异构多核+可重构计算2/331.从单核到多核3/33Intel处理器的发展历程由一个经验定律引发的三个物理限制4/33一个经验定律摩尔定律1.芯片上晶体管的集成度，每18个月翻一番2.微处理器的性能，每18个月提高一倍3.相同性能产品的价格，每18个月下降一半5/33晶体管集成度发展趋势图6/33CPU的性能与频率性能=频率×IPCIPC：InstructionsperCycle频率：1/Cycle

2、受CPU频率和CPU架构两方面的综合决定CPU架构改变，提高IPC，带来性能质的飞跃CPU频率增长，带来性能量的提升对于同一代架构，改良架构来提高IPC的幅度是非常有限的所以，提高CPU主频成为单核时代提升性能唯一有效手段7/33IntelCPU时钟频率与晶体管集成度演变Hello,AndySorry,Bill.Thefreelunchisover!8/33三个物理限制（1）功耗限制晶体管翻转消耗能量发热（频率）（功耗）（温度）晶体管集成度芯片密度散热能力功耗计算公式P=C×V2×fP∝f3C：芯片总的栅电容

3、V：工作电压，∝ff：工作频率9/33三个物理限制（2）互连延迟限制传输延迟与频率的相对关系增加流水线级数的失效代价设计复杂度限制设计空间问题芯片验证问题10/33新的提升处理器性能的方法功耗限制互连延迟限制设计复杂度限制频率不变，分成多个相对采用多个简单增加片上处独立的区域，重复的处理器理器的数量减少通信联系多核11/33Intel80核处理器12/332.多核—从同构到异构13/33多核架构斯坦福的Hydra处理器（1996）——同构片上多核14/33总线或交叉开关架构特点可视作传统板上多处理器的

4、片上集成处理核数相对较少，结构相似单核功能较全面，类似传统单核处理器传统应用程序无需修改即可运行，获得一定加速共享存储，各核访存方式一致缺点总线或者交换开关成为系统瓶颈限制了核的数目，难以扩展15/33流处理器和GPU架构新的应用特征大规模的数据并行计算图像和视频处理、动画合成等三类并行线程并行——Hydra数据并行SIMD（SingleInstructionMultipleData）单核时代——DSP指令并行VLIW（VeryLongInstructionWord）16/33Ima

5、gine流处理器斯坦福的Imagine（2000）8个ALU单元被同一个控制器所控制，同时对大量的并行数据进行同样的操作一个大型SIMD单元17/33GPU架构——NvideaFermi18/33多核设计的问题少数强大的核还是很多简单的核？前者——总指令吞吐率与其功耗或面积成本呈亚线性关系，投入产出效率较低后者——单线程的性能很低，而每个程序总有一部分没法并行化，这将最终决定整个程序的性能取决于程序的可并行性——Amdahl定律19/33Amdahl定律Speedup——Definedassequent

6、ialexecutiontimeoverparallelexecutiontimeinparallelprocessing.f——Theportionoftheworkloadthatcanbeparallelizedm——Thenumberofprocessors20/33异构多核架构异构多核一个强大的单核——执行程序串行部分众多简单的单核——执行程序并行部分另一个角度看异构多核一个核心控制核负责系统的控制、调度与协调多个计算核负责具体应用程序的功能计算计算核可以不相同21/33典型的异构多核架构

7、——CellIBM的Cell处理器22/33多核的关键问题多核处理器本身的设计不是问题最关键的问题——编程模型并行化编程编译器等软件工具的支持其他关键问题互连结构系统的可扩展性——片上网络多核操作系统23/333.异构多核+可重构计算24/33实现功能的三种计算模式2yAxBxC25/33可重构计算简化描述在软件的控制下，利用系统中的可重用资源（如FPGA等可重构逻辑器件），根据应用的需要重新构造一个新的用于执行应用程序的硬件平台一类计算机组织结构在硬件芯片制造后针对计算任务的定制能力；

8、为计算任务提供大量可定制执行空间的实现能力带来了系统硬件的可变性能够像安装软件那样“安装”硬件26/33可重构方式静态可重构——编译时重构动态可重构——运行时重构27/33可重构计算系统28/33从高性能到高效能性能机械或是其他工业制品对设计要求的满足程度计算机性能——速度为先！效能综合了“效率”、“效益”、“性能”等多个词的意