計算機システムⅡ 現代的な計算機アーキテクチャの解説 和田俊和 講義計画 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. コンピュータの歴史１ コンピュータの歴史２ コンピュータの歴史３ 論理回路と記憶，計算：レジスタとALU 主記憶装置とALU，レジスタの制御 命令セットアーキテクチャ 演習問題 パイプライン処理 メモリ階層：キャッシュと仮想記憶 命令レベル並列処理 入出力と周辺装置 演習問題（問題配布） 演習問題（解答例配布） 現代的な計算機アーキテクチャの解説（←本日） 演習問題 試験 • 教科書：坂井修一著：電子情報通信学会レクチャーシリーズＣ−９，コンピュータアーキテクチャ，コロ ナ社 • 最終回の試験によって成績評価を行う．５回以上欠席で不合格とする． 本日の講義の範囲 • 並列コンピュータ – SMP(UMA)とNUMA – MIMDとSIMD • 並列コンピュータのキャッシュ – スヌープキャッシュ • 投機的実行 – 分岐予測 – 積極的実行 • その他 １ 並列コンピュータ ムーアの法則 • 集積回路上のトランジスタの数は１８ヶ月で倍にな る．２０１９年あたりまで継続すると考えられている． • コンピュータの速度 上昇には別の制限 がある． • 単位面積当たりの発 熱制限が厳しくなり， クロックが上げられ ない． • 並列化による速度向 上しか方法はない． マルチコア キャッシュメモリ キャッシュメモリ キャッシュメモリ キャッシュメモリ キャッシュメモリ SMP と NUMA • SMP（Symmetric Multi Processor）全コアから共通 にメモリアクセスが行える 必要があり，フロントサイ ドバスが混む．UMAとも呼 ぶ． • NUMA（Non-Uniform Memory Architecture）複 数のコアとメモリを持つ ノードがクロスバースイッ チにより相互接続されて いる． NUMA詳細 • 一つのノードはSMPと考えて良い． • 全てのメモリにアクセスできるが，他のノードのメ モリにアクセスする際は遅くなる． • メモリ番地によるアク セス速度の違いを考 慮したソフトウエア設 計が必要 • Intel: Itanium, Nahalem系統（Xeron, Corei5,7,etc） • AMD: Opteron 命令とデータの関係から見た 並列コンピュータ • MIMD: Multi Instruction Multi Data 個々のCPUが実行する命令 を別々に用意し，多数の データに対して演算を適用 する．→分散メモリ形計算機 • SIMD: Single Instruction Multi Data CPUが一つの命令を読み， 複数の演算器を動作させて， 複数のデータに対して処理 を行う．→GPU, MMX(SSE) 並列計算機用キャッシュ メモリ共有型並列計算機で起きること • CPU1がアドレス１の内容を読み出す→CPU１の キャッシュへのコピーが起きる． • CPU２もアドレス１の内容を読み出す→CPU2の キャッシュへのコピーが起きる． • CPU１がアドレス１の内容を変更するために キャッシュを書き換えた．（Write backであると仮 定する．） • CPU2には，元のアドレス１の内容がコピーされた キャッシュが残っている．どうするか．．． キャッシュの一貫性（キャッシュコヒーレンシー）が 崩れる． キャッシュメモリ間で協議させる． • スヌープ方式 – 無効型プロトコル：あるキャッシュが更新を行うとき， 「そのアドレスはダーティである」として参照中の全 キャッシュの該当ラインを無効化するように依頼する． – 更新型プロトコル ：他が 参照しているときにデー タ更新を行うときはライト スルー型となり，単独で アクセスしている場合は ライトバック型となるよう な制御を行う その他の方式 • ディレクトリ方式 (Directory-based Protocol) メモ リの一貫性をディレクトリと呼ぶ専用領域にて一 元管理する方式．分散メモリ型システムに適し ている． • 共有キャッシュ (Shared Cache) 1つのキャッシュ に対し複数のCPUが参照できるような構成を持 つキャッシュ．キャッシュ自体の構造が非常に 複雑となり，多くのCPUを接続することは困難． 更なる並列化へ PCクラスタ • 数十から数百台のPCを相互に結合して１つ の計算を行うBeowolf (PVC, MPIなどの並列計 算ライブラリ)などがよく使われる． • Hadoop:データが他のノードにある場合の参 照に時間がかかってしまう→タプル（組み）で， データを管理する：<key,値> Map Shuffle Reduce Hadoop 投機的実行 投機的実行の分類 • 分岐予測 – これまでの講義で述べた方法 • 積極的実行 – 計算機資源がある限り，分岐先を両方とも実行 する その他 どんな計算機が速いのか？ 整数演算で速かったもの 浮動小数点で速かったもの CPUの性能評価 • SPEC社が実施しているベンチマーク http://www.spec.org/cpu2006/results/ • SPECint2006 単一ジョブ • SPECfp2006 単一ジョブ • SPECint_rate2006 複数ジョブ • SPECfp_rate2006 複数ジョブ これらの結果は，日々更新されており，各PC メーカがしのぎを削っている． ARMの場合 • ARMの場合は，MIPS (Mega Instruction Per Second)で 計測される（基本設計が同じなので，これで評価でき る．） • マルチコア化も進んでいる． • 携帯機器向けなので，消費電力も重要な評価要素に なる． • 浮動小数点演算は外付けのFPUで．ベクトル（SIMD） 化も行われている． • Qualcom社の実装が評価され，ARM CPU市場の大 部分を同社が抑えている． • 同社 snapdragonでは，GPUの組み込み，コア毎のク ロック制御，HDビデオのデコード機能の搭載，SIMDが 128bit化されており，理論上は，他社製品よりも倍の 性能が出る設計．
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