Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 7: Đa lõi, Đa xử lý & Máy tính cụm - Nguyễn Thanh Sơn
Computer Architecture
Computer Science & Engineering
Chương 7
Đa lõi, Đa xử lý &
Máy tính cụm
BK
TP.HCM
Dẫn nhập
Mục tiêu: Nhiều máy tính nối lại hiệu năng
cao
Đa xử lý
Dễ mở rộng, sẵn sàng cao, tiết kiệm năng lượng
Song song ở mức công việc (quá trình)
Hiệu xuất đầu ra cao khi các công việc độc lập
Chương trình xử lý song song có nghĩa
Chương trình chạy trên nhiều bộ xử lý
Xử lý đa lõi (Multicores)
Nhiều bộ xử lý trên cùng 1 Chip
BK
TP.HCM
2
4/5/2019
Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính
Phần cứng & Phần mềm
Phần cứng
Đơn xử lý (serial): e.g., Pentium 4
Song song (parallel): e.g., quad-core Xeon
e5345
Phần mềm
Tuần tự (sequential): ví dụ Nhân ma trận
Đồng thời (concurrent): ví dụ Hệ điều
hành (OS)
Phần mềm tuần tự/đồng thời có thể
đều chạy được trên phần đơn/song
song
BK
TP.HCM
Thách thức: sử dụng phần cứng hiệu quả
3
4/5/2019
Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính
Lập trình song song
Phần mềm song song: vấn đề lớn
Phải tạo ra được sự cải thiện hiệu suất
tốt
Vì nếu không thì dùng đơn xử lý nhanh,
không phức tạp!
Khó khăn
Phân rã vấn đề (Partitioning)
Điều phối
Phí tổn giao tiếp
BK
TP.HCM
4
4/5/2019
Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính
Định luật Amdahl
Phần tuần tự sẽ hạn chế khả năng song
song (speedup)
Ví dụ: 100 Bộ xử lý, tốc độ gia tăng 90?
Tnew = Tp/100 + T
BK
TP.HCM
5
4/5/2019
Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính
Khả năng phát triển (Scaling)
Bài toán: Tổng của 10 số, và Tổng ma trận
[10 10]
Tăng tốc độ từ 10 đến 100 bộ xử lý
Đơn xử lý (1 CPU): Time = (10 + 100) tadd
10 bộ xử lý
Time = 10 tadd + 100/10 tadd = 20 tadd
Speedup = 110/20 = 5.5 (55% of potential)
100 bộ xử lý
Time = 10 tadd + 100/100 tadd = 11 tadd
Speedup = 110/11 = 10 (10% of potential)
Với điều kiện tải được phân đều cho các bộ
xử lý
BK
TP.HCM
6
4/5/2019
Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính
Scaling (tt.)
Kích thước Ma trận: 100 100
Đơn Xử lý (1 CPU): Time = (10 + 10000) tadd
10 bộ xử lý
Time dd = 1010 tadd
Speedup = 10010/1010 = 9.9 (99% of potential)
100 bộ xử lý
Time = 10 tadd + 10000/100 tadd = 110 tadd
Speedup = 10010/110 = 91 (91% of potential)
Giả sử tải được chia đều cho tất cả CPU
BK
TP.HCM
7
4/5/2019
Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính
Strong vs Weak Scaling
Strong scaling: ứng dụng & hệ thống
tăng dẫn đến speedup cũng tăng
Như trong ví dụ
Weak scaling: speedup không đổi
10 bộ xử lý, ma trận [10 10]
Time = 20 tadd
100 bộ xử lý, ma trận [32 32]
Time = 10 tadd + 1000/100 tadd = 20 tadd
Hiệu suất không đổi
BK
TP.HCM
8
4/5/2019
Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính
Mô hình chia sẻ bộ nhớ (SMP)
SMP: shared memory multiprocessor
Phần cứng tạo ra không gian địa chỉ chung cho tất cả
các bộ xử lý
Đồng bộ biến chung dùng khóa (locks)
Thời gian truy cập bộ nhớ
UMA (uniform) vs. NUMA (nonuniform)
BK
TP.HCM
9
4/5/2019
Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính
Ví dụ: Cộng dồn (Sum reduction)
Tính tổng 100,000 số trên 100 bộ xử lý UMA
Bộ xử lý đánh chỉ số Pn: 0 ≤ Pn ≤ 99
Giao 1000 số cho mỗi bộ xử lý để tính
Phần code trên mỗi bộ xử lý sẽ là
sum[Pn] = 0;
for (i = 1000*Pn;
i < 1000*(Pn+1); i = i + 1)
sum[Pn] = sum[Pn] + A[i];
Tính tổng của 100 tổng đơn lẻ trên mỗi CPU
Nguyd conquer
½ số CPU cộng từng cặp, ¼…, 1/8 ..
Cần sự đồng bộ tại mỗi bước
BK
TP.HCM
10
4/5/2019
Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính
Ví dụ: tt.
half = 100;
repeat
synch();
if (half%2 != 0 && Pn == 0)
sum[0] = sum[0] +
sum[hal
/* Conditional sum needed
when half is odd;
Processor0 gets missing
element */
half = half/2; /* dividing
line on who sums */
if (Pn < half) sum[Pn] =
sum[Pn] + sum[Pn+half];
until (half == 1);
BK
TP.HCM
11
4/5/2019
Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính
Trao đổi thông điệp
Mỗi bộ xử lý có không gian địa chỉ riêng
Phần cứng sẽ gửi/nhận thông điệp giữa
các bộ xử lý
BK
TP.HCM
12
4/5/2019
Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính
Cụm kết nối lỏng lẻo
Mạng kết nối các máy tính độc lập
Mỗi máy có bộ nhớ và Hệ điều hành riêng
Kết nối qua hệ thống I/O
Ví dụ: Ethernet/switch, Internet
Phù hợp với những ứng dụng với các công việc
độc lập (Web servers, databases, simulations, …)
Tính sẵn sàng và mở rộng cao
Tuy nhiên, vấn đề nảy sinh
Chi phí quản lý (admin cost)
Băng thông thấp
So với băng thông cử processor/memory trên hệ SMP
BK
TP.HCM
13
4/5/2019
Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính
Tính tổng
Tổng của 100,000 số với 100 bộ xử lý
Trước tiên chia đều số cho mỗi CPU
Tổng từng phần trên mỗi CPU sẽ là
sum = 0;
for (i = 0; i<1000; i = i + 1)
sum = sum + AN[i];
Gom tổng
½ gửi, ½ nhận & cộng
¼ gửi và ¼ nhận & Cộng …,
BK
TP.HCM
14
4/5/2019
Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính
Tính tổng (tt.)
Giả sử có hàm send() & receive()
limit = 100; half = 100;/* 100 processors */
repeat
half = (half+1)/2; /* send vs. receive
dividing line */
if (Pn >= half && Pn < limit)
send(Pn - half, sum);
if (Pn < (limit/2))
sum = sum + receive();
limit = half; /* upper limit of senders */
until (halinal sum */
Send/receive cũng cần phải đồng bộ
Giả sử thời gian send/receive bằng thời gian cộng
BK
TP.HCM
15
4/5/2019
Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính
Tính toán lưới
Các máy tính riêng biệt kết nối qua
mạng rộng
Ví dụ: kết nối qua internet
Công việc được phát tán, được tính toán và
gom kết quả lại, ví dụ tính thời tiết …
Tận dụng thời gian rảnh của các máy
PC
Ví dụ: SETI@home, World Community Grid
BK
TP.HCM
16
4/5/2019
Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính
Đa luồng (Multithreading)
Thực hiện các luồng lệnh đồng thời
Sao chép nội dung thanh ghi, PC, etc.
Chuyển nhanh ngữ cảnh giữa các luồng
Đa luồng mức nhỏ (Fine-grain)
Chuyển
Thực hiện lệnh xen kẽ
Nếu luồng đang thực thi bị “khựng”, chuyển sang
thực hiện luồng khác
Đa luồng mức lớn (Coarse-grain)
Chuyển luồng khi có “khựng” lâu (v.d L2-cache miss)
Đơn giản về phần cứng, nhưng khó tránh rủi ro dữ
liệu (eg, data hazards)
BK
TP.HCM
17
4/5/2019
Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính
Tương lai “đa luồng”
Tồn tại? Dạng nào?
Năng lương tiêu thụ Kiến trúc đơn giản
& Hiệu suất cao
Sử dụng các dạng đơn giản đa luồng
Giảm thiểu thời gian cache-miss
Chuyển luồng hiệu quả hơn
Đa lõi có thể chia sẻ chung tài nguyên
hiệu quả hơn (Floating Point Unit or L3
Cache)
BK
TP.HCM
18
4/5/2019
Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính
Luồng lệnh & Dữ liệu
Cách phân loại khác
Data Streams
Single
Multiple
Instruction Single
Streams
SISD:
Intel Pentium 4
SIMD: SSE
instructions of x86
Multiple MISD:
MIMD:
No examples today Intel Xeon e5345
SPMD = Single Program Multiple Data
Cùng 1 chương trình nhưng trên kiến trúc
MIMD
Cấu trúc điều kiện cho các bộ xử lý thực hiện
BK
TP.HCM
19
4/5/2019
Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính
SIMD
Hoạt động trên phần tử vector dữ liệu
Ví dụ: MMX and SSE instructions in x86
Các thành phần dữ liệu chứa trong các thanh ghi
128 bit
Tất cả các bộ xử lý thực hiện cùng một
lệnh nhưng trên dữ liệu khác nhau
Dữ liệu lưu trữ ở các địa chỉ khác nhau.
Cơ chế đồng bộ đơn giản
Giảm được phí tổn điều khiển
Phù hợp với các ứng dụng song song dữ
BK
TP.HCM
liệu
20
4/5/2019
Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính
Tải về để xem bản đầy đủ
31 trang
12/04/2022
4940
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 7: Đa lõi, Đa xử lý & Máy tính cụm - Nguyễn Thanh Sơn", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bai_giang_kien_truc_may_tinh_chuong_7_da_loi_da_xu_ly_may_ti.pdf
