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
114
93
135
129
131
3
3
4
4
5
1998
1999
2000
2001
2002
0
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
コンピュータの性能の定義
性能 =
１
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

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