Transcript コンピュータの性能
コンピュータの主役はCPU(Central Processing Unit) コンピュータの構成要素 コンピュ−タ 制御 装置 演算 装置 プロセッサ CPU 入力 装置 記憶 装置 出力 装置 コンピュ−タの世代 世代 期間 中核テクノロジ 主な新製品 １ 1950-1959 真空管 商用電子計算機 ２ 1960-1968 トランジスタ 事務・技術計算機から汎用機へ ３ 1969-1977 集積回路（IC） ミニコンピュ−タ ４ 1978-199? LSIおよびVLSI パソコンとワ−クステ−ション ５ 199?-20?? マイクロプロセッサ 個人用携帯端末と並列プロセサ 年 機種 サイズ 消費電力 立方feet ワット 性能 メモリ 加算/秒 Kバイト 時価 価格性能比 1 feet = 30 cm 1951 1964 1965 1976 1981 1991 1996 2003 UNIVAC I（商用コンピュ−タとして最初に成功） 1000 124,500 1,900 48 $1,000,000 1 IBM S360/50（コンピュ−タ・ファミリ，大型コンピュ−タ市場支配） 60 10,000 500,000 64 $1,000,000 263 PDP-8（最初の商用ミニコンピュ−タ） 8 500 330,000 4 $16,000 10,855 Cray-1（ス−パ−コンピュ−タ） 58 60,000 166,000,000 32,768 $4,000,000 21,842 IBM PC（パソコンのベストセラ−） 1 150 240,000 256 $3,000 42,105 HP 9000/750（ワークステーション） 2 500 50,000,000 16,384 $7,400 3,556,188 Intel PPro PC (200MHz) 2 500 400,000,000 16,384 $4,400 47,846,890 Intel Pentium 4 PC (3.0GHz) 2 500 6,000,000,000 262,144 $1,600 11,452,000,000 1200 1122 1000 892 862 millions of computers 800 Embedded computer Desktops Servers 600 488 400 290 200 135 114 93 3 3 131 129 4 4 5 0 1998 1999 2000 2001 2002 D.A.Patterson and J.L.Hennessy: Computer Organization and Design The Hardware/Software Interface, 3rd edition, Morgan Kaufmann, 2005 1400 1200 millions of processors 1000 Other SPARC Hitachi SH PowerPC Motorola 68K MIPS IA-32 ARM 800 600 400 200 0 1998 1999 2000 2001 2002 D.A.Patterson and J.L.Hennessy: Computer Organization and Design The Hardware/Software Interface, 3rd edition, Morgan Kaufmann, 2005 １ コンピュータの性能の定義 性能 = 実行時間 クロック（clock） コンピュ−タは一定の速度で時を刻むクロックに基づいて動作する クロック・サイクル時間（clock cycle time） 単位：秒/サイクル クロックの時間間隔，クロック周期ともいう．たとえば10ns １間隔＝１サイクル クロック周波数（clock rate） 単位：サイクル/秒 (Hz) クロック・サイクル時間の逆数．たとえば100MHz たとえば、クロック・サイクル時間が１μ秒なら クロック周波数は１MHz 数の単位 1015 peta 10-15 femto 1012 tera 10-12 pico 109 giga 10-9 nano 106 mega 10-6 micro 103 kilo 10-3 milli あるプログラムの そのプログラムの ＝ × クロック・サイクル時間 CPU実行時間 クロック・サイクル数 ＝ そのプログラムのクロック・サイクル数 クロック周波数 例：クロック周波数が100MHzのマシン上で10秒で実行できるプログラム のクロックサイクル数は CPU時間×クロック周波数 = 10秒×100×106サイクル／秒 = 1000×106サイクル 命令あたりの平均クロック・サイクル数（Clock Cycles Per Instruction: CPI） 実行したプログラムのクロック・サイクル数 ＝ そのプログラムで実行した命令数 CPU時間 = 実行命令数×CPI×クロック・サイクル時間 例：クロック・サイクル時間が10ns（ナノ秒），CPIが2.0の場合， 100,000命令実行するのに要する時間は 100000命令×2.0サイクル／命令×10×10-9秒／サイクル= 2.0×10-3秒= 2.0ミリ秒 問1： クロック・周波数が100MHzのマシン上で10秒で実行できるプログラムがある． このプログラムの実行に要するクロック・サイクル数はいくつか． このプログラムを6秒で実行できるマシンを開発したい． クロック周波数を上げると，その影響が別の面にでて，そのプログラムでは 1.2倍のクロック・サイクル数が必要になるという． クロック周波数をどこまで上げればよいか． 問2： 同じ命令セットア−キテクチャを実現した２種類のマシンがある（機械語は同じ）． マシンAはクロック・サイクル時間が10nsで，あるプログラムでのCPIが2.0であり， マシンBはクロック・サイクル時間が20nsで，同じプログラムでのCPIが1.2である とする．このプログラムでは，どちらがどのくらい速いか． 問3： あるマシンには３種類の命令のクラスA，B，Cがあり， それぞれの命令クラスのCPIは１，２，３である． あるコンパイラ設計者が，ある文に対してコンパイラが生成するコ−ド系列を２通り 検討している．１つは，A，B，Cの各クラスの命令が２，１，２回実行されるもので あり，もう１つは４，１，１回実行されるものである． どちらのコ−ド系列の方が実行される命令数が多いか．実行速度はどちらが速いか． それぞれのCPIはいくつか． 問4： クロック・周波数が3GHzのマシン上で2秒で実行できるプログラムがある． このプログラムの実行に要するクロック・サイクル数はいくつか． このプログラムで5*109の命令が実行されたとしてCPIを求めよ。 問5： クロック・周波数が5GHzのマシン上であるプログラムを実行したところ 7.5*109の命令が実行され、CPIは0.8であった。 このマシンのクロックサイク ル時間と、このプログラムの実行にかかったCPU時間を求めよ。 問6： あるマシンで、Javaで書かれたあるプログラムが15秒で実行された。 新しいJavaコンパイラがリリースされて、古いコンパイラが生成する命令の0.6倍の命 令ですむようになった。ただし、CPIは1.1倍になってしまった。 このJavaプログラムは、新しいコンパイラを使えば何秒で実行されるか。 （ヒント：変数をいくつか使う。たとえば、命令数をx、サイクル数をyなど） 性能尺度 以前に利用された性能尺度 MIPS (Million Instruction Per Second) = 実行命令数 実行時間×106 = 実行命令数 クロック・サイクル数×クロック・サイクル時間×106 = 実行命令数×クロック周波数 実行命令数×CPI×106 = クロック周波数 CPI×106 注意：CPIは実行されるプログラムによって，またコンパイラによって も異なるから，あるマシンのMIPSを正確に求めることは不可能 メ−カの発表するMIPSは最小のCPIを仮定したピ−クMIPS ベンチマークによる性能比較 実際のプログラムによる性能比較 SPEC CPU2000 MFLOPS（million floating-point operations per second: Mega FLOPS） 実行した浮動小数点演算の個数 = 実行時間×106 GFLOPS (Giga FLOPS) TFLOPS (Tera FLOPS) 注意：MFLOPS値はプログラムに強く依存するが，MIPSほどマシンには 依存しない．メ−カの発表するMFLOPS値は浮動小数点演算だけ を都合よく実行したときの（ピ−ク性能）値． TOP500 http://www.top500.org/ ここでは、LINPACKベンチマ−ク（線形計算のプログラム）で 世界中の高速マシンの順位付けが行われている． 筑波大のCP-PACS（2048台の超並列マシン）は368GFLOPS （ピ−ク性能614GFLOPS）で1996年に１位、1998年６位、2003年314位 2003年の1位は日本の地球シミュレータ(スパコン5000台の超並列機)で35.86TFLOPS 2005年の1位はIBM BlueGene/L（6万5千台の超並列機）で136.8TFLOPS 地球シミュレータは4位 2007年の1位はIBM BlueGene/L(13万台)で280.6TFLOPS, 日本の最高は14位（東工大）で48.9TFLOPS, 地球シミュレータは20位 コンピュータのアーキテクチャ 最初は単純（なアーキテクチャ）であったが複雑になってきた。 CISC (Complex Instruction Set Computer) それを思い切り単純化して、ワンチップCPUが作られた。 RISC (Reduced Instruction Set Computer) RISC もその後、機能を拡張して複雑化しているが、以下のような 特徴がある。 CISC： メインフレーム、インテルX86系 命令語長可変、演算はレジスタ間とメモリー、レジスタ少数 RISC： MIPS, PPC, SH4, ARM 命令語長固定、メモリーアクセスはLOAD/STOREのみ、 レジスタ多数、演算はレジスタ間のみ パイプライン制御が容易