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EC01008 – Arquitetura e Organizac¸a˜o de
Computadores
Evoluc¸a˜o e desempenho do computador II
Ronaldo de Freitas Zampolo
FCT-ITEC-UFPA
Agenda
Agenda
Balanc¸o de
desempenho
Avaliac¸a˜o de
desempenho
EC01008 AOC Evoluc¸a˜o e desempenho do computador II – 2 / 19
Balanc¸o de desempenho
Avaliac¸a˜o de desempenho
Comparativo de velocidade
Agenda
Balanc¸o de
desempenho
Comparativo de
velocidade
Soluc¸o˜es
Elementos a
considerar no
balanc¸o de
desempenho
Aumento de
desempenho 1
Aumento de
desempenho 2
Problemas
Avaliac¸a˜o de
desempenho
EC01008 AOC Evoluc¸a˜o e desempenho do computador II – 3 / 19
Soluc¸o˜es
Agenda
Balanc¸o de
desempenho
Comparativo de
velocidade
Soluc¸o˜es
Elementos a
considerar no
balanc¸o de
desempenho
Aumento de
desempenho 1
Aumento de
desempenho 2
Problemas
Avaliac¸a˜o de
desempenho
EC01008 AOC Evoluc¸a˜o e desempenho do computador II – 4 / 19
■ Aumentar nu´mero de bits recuperados de uma so´ vez:
◆ Tornar DRAM “mais larga” ao inve´s de “mais profunda”
Soluc¸o˜es
Agenda
Balanc¸o de
desempenho
Comparativo de
velocidade
Soluc¸o˜es
Elementos a
considerar no
balanc¸o de
desempenho
Aumento de
desempenho 1
Aumento de
desempenho 2
Problemas
Avaliac¸a˜o de
desempenho
EC01008 AOC Evoluc¸a˜o e desempenho do computador II – 4 / 19
■ Aumentar nu´mero de bits recuperados de uma so´ vez:
◆ Tornar DRAM “mais larga” ao inve´s de “mais profunda”
■ Mudar interface da DRAM:
◆ Cache
Soluc¸o˜es
Agenda
Balanc¸o de
desempenho
Comparativo de
velocidade
Soluc¸o˜es
Elementos a
considerar no
balanc¸o de
desempenho
Aumento de
desempenho 1
Aumento de
desempenho 2
Problemas
Avaliac¸a˜o de
desempenho
EC01008 AOC Evoluc¸a˜o e desempenho do computador II – 4 / 19
■ Aumentar nu´mero de bits recuperados de uma so´ vez:
◆ Tornar DRAM “mais larga” ao inve´s de “mais profunda”
■ Mudar interface da DRAM:
◆ Cache
■ Reduzir frequeˆncia de acesso a` memo´ria:
◆ Cache mais complexa e cache no chip
Soluc¸o˜es
Agenda
Balanc¸o de
desempenho
Comparativo de
velocidade
Soluc¸o˜es
Elementos a
considerar no
balanc¸o de
desempenho
Aumento de
desempenho 1
Aumento de
desempenho 2
Problemas
Avaliac¸a˜o de
desempenho
EC01008 AOC Evoluc¸a˜o e desempenho do computador II – 4 / 19
■ Aumentar nu´mero de bits recuperados de uma so´ vez:
◆ Tornar DRAM “mais larga” ao inve´s de “mais profunda”
■ Mudar interface da DRAM:
◆ Cache
■ Reduzir frequeˆncia de acesso a` memo´ria:
◆ Cache mais complexa e cache no chip
■ Aumentar largura de banda de interconexa˜o:
◆ Barramentos de alta velocidade
◆ Hierarquia de barramentos
Elementos a considerar no balanc¸o de
desempenho
Agenda
Balanc¸o de
desempenho
Comparativo de
velocidade
Soluc¸o˜es
Elementos a
considerar no
balanc¸o de
desempenho
Aumento de
desempenho 1
Aumento de
desempenho 2
Problemas
Avaliac¸a˜o de
desempenho
EC01008 AOC Evoluc¸a˜o e desempenho do computador II – 5 / 19
■ Processador
■ Memo´ria principal
■ Dispositivos de E/S
■ Estrutura de interconexa˜o
Aumento de desempenho 1
Agenda
Balanc¸o de
desempenho
Comparativo de
velocidade
Soluc¸o˜es
Elementos a
considerar no
balanc¸o de
desempenho
Aumento de
desempenho 1
Aumento de
desempenho 2
Problemas
Avaliac¸a˜o de
desempenho
EC01008 AOC Evoluc¸a˜o e desempenho do computador II – 6 / 19
Processadores
■ Aumentar velocidade de hardware do processador
◆ Encolhimento do tamanho das portas lo´gicas
■ Mais portas, mais pro´ximas, aumentando a taxa de clock
■ Reduc¸a˜o no tempo de propagac¸a˜o dos sinais
■ Aumentar tamanho e velocidade das caches
◆ Cache integrada no processador: tempos de acesso menores
■ Mudar organizac¸a˜o e arquitetura do processador
◆ Paralelismo.
Aumento de desempenho 2
Agenda
Balanc¸o de
desempenho
Comparativo de
velocidade
Soluc¸o˜es
Elementos a
considerar no
balanc¸o de
desempenho
Aumento de
desempenho 1
Aumento de
desempenho 2
Problemas
Avaliac¸a˜o de
desempenho
EC01008 AOC Evoluc¸a˜o e desempenho do computador II – 7 / 19
Processadores
■ Lo´gica de execuc¸a˜o mais complexa:
◆ Permite execuc¸a˜o de instruc¸o˜es em paralelo
◆ Pipeline funciona como linha de montagem
■ Diferentes esta´gios de execuc¸a˜o de diferentes instruc¸o˜es ao
mesmo tempo ao longo do pipeline
■ Superescalar permite mu´ltiplos pipelines dentro de um u´nico
processador:
◆ Instruc¸o˜es que na˜o dependem uma da outra podem ser
executadas em paralelo
Problemas
Agenda
Balanc¸o de
desempenho
Comparativo de
velocidade
Soluc¸o˜es
Elementos a
considerar no
balanc¸o de
desempenho
Aumento de
desempenho 1
Aumento de
desempenho 2
Problemas
Avaliac¸a˜o de
desempenho
EC01008 AOC Evoluc¸a˜o e desempenho do computador II – 8 / 19
■ Aumento de densidade de integrac¸a˜o e frequeˆncia do clock
◆ Aumento de poteˆncia dissipada (aumento de custo, e
aquecimento)
■ Estreitamento das trilhas condutoras:
◆ Aumento do atraso a` medida que o produto RC aumenta
◆ Trilhas mais estreitas, aumentam a resisteˆncia (R)
◆ Trilhas mais pro´ximas aumentam o efeito de acoplamento
capacitivo (C)
Alguns fatores importantes
Agenda
Balanc¸o de
desempenho
Avaliac¸a˜o de
desempenho
Alguns fatores
importantes
Velocidade de
clock
Me´tricas de
desempenho 1
Me´tricas de
desempenho 2
CPI e tipos de
instruc¸o˜es
taxas MIPS e
MFLOPS
Benchmarks 1
Benchmarks 2
Benchmark 3
Lei de Amdahl
Lei de Amdahl
generalizada
EC01008 AOC Evoluc¸a˜o e desempenho do computador II – 9 / 19
■ Velocidade do processador
■ Conjunto de instruc¸o˜es da ma´quina
■ Escolha da linguagem de implementac¸a˜o
■ Eficieˆncia do compilador
■ Habilidade do programador
Velocidade de clock
Agenda
Balanc¸o de
desempenho
Avaliac¸a˜o de
desempenho
Alguns fatores
importantes
Velocidade de
clock
Me´tricas de
desempenho 1
Me´tricas de
desempenho 2
CPI e tipos de
instruc¸o˜es
taxas MIPS e
MFLOPS
Benchmarks 1
Benchmarks 2
Benchmark 3
Lei de Amdahl
Lei de Amdahl
generalizada
EC01008 AOC Evoluc¸a˜o e desempenho do computador II – 10 / 19
■ Por que o clock na˜o e´ tudo em termos de desempenho?
◆ Diferentes instruc¸o˜es exigem um nu´mero diferente de ciclos
para serem executadas
◆ Ma´quinas com pipeline: va´rias instruc¸o˜es em execuc¸a˜o
simultaneamente
Me´tricas de desempenho 1
Agenda
Balanc¸o de
desempenho
Avaliac¸a˜o de
desempenho
Alguns fatores
importantes
Velocidade de
clock
Me´tricas de
desempenho 1
Me´tricas de
desempenho 2
CPI e tipos de
instruc¸o˜es
taxas MIPS e
MFLOPS
Benchmarks 1
Benchmarks 2
Benchmark 3
Lei de Amdahl
Lei de Amdahl
generalizada
EC01008 AOC Evoluc¸a˜o e desempenho do computador II – 11 / 19
■ Me´dia de ciclos por instruc¸a˜o (CPI):
CPI =
∑n
i=1CPIi × Ii
Ic
(1)
◆ i representa o tipo de instruc¸a˜o;
◆ Ii denota o nu´mero de instruc¸o˜es do tipo i;
◆ CPIi corresponde ao nu´mero de ciclos necessa´rios para
executar uma instruc¸a˜o do tipo i;
◆ Ic e´ o nu´mero total de instruc¸o˜es de um determinado
programa;
◆ n e´ o nu´mero total de tipos de instruc¸o˜es.
Me´tricas de desempenho 2
Agenda
Balanc¸o de
desempenho
Avaliac¸a˜o de
desempenho
Alguns fatores
importantes
Velocidade de
clock
Me´tricas de
desempenho 1
Me´tricas de
desempenho 2
CPI e tipos de
instruc¸o˜es
taxas MIPS e
MFLOPS
Benchmarks 1
Benchmarks 2
Benchmark 3
Lei de Amdahl
Lei de Amdahl
generalizada
EC01008 AOC Evoluc¸a˜o e desempenho do computador II – 12 / 19
■ Tempo de execuc¸a˜o (T ):
T = Ic × CPI × τ (2)
onde τ = 1/fe´ o tempo de um per´ıodo do clock (f : frequeˆncia
do clock).
T = Ic × [p+ (m× k)]× τ (3)
◆ p nu´mero de ciclos para decodificar e executar um instruc¸a˜o
me´dia;
◆ m nu´mero de refereˆncias a` memo´ria necessa´rio;
◆ k raza˜o entre o tempo de ciclo da memo´ria e o tempo de ciclo
do processador;
CPI e tipos de instruc¸o˜es
Agenda
Balanc¸o de
desempenho
Avaliac¸a˜o de
desempenho
Alguns fatores
importantes
Velocidade de
clock
Me´tricas de
desempenho 1
Me´tricas de
desempenho 2
CPI e tipos de
instruc¸o˜es
taxas MIPS e
MFLOPS
Benchmarks 1
Benchmarks 2
Benchmark 3
Lei de Amdahl
Lei de Amdahl
generalizada
EC01008 AOC Evoluc¸a˜o e desempenho do computador II – 13 / 19
taxas MIPS e MFLOPS
Agenda
Balanc¸o de
desempenho
Avaliac¸a˜o de
desempenho
Alguns fatores
importantes
Velocidade de
clock
Me´tricas de
desempenho 1
Me´tricas de
desempenho 2
CPI e tipos de
instruc¸o˜es
taxas MIPS e
MFLOPS
Benchmarks 1
Benchmarks 2
Benchmark 3
Lei de Amdahl
Lei de Amdahl
generalizada
EC01008 AOC Evoluc¸a˜o e desempenho do computador II – 14 / 19
■ MIPS (milho˜es de instruc¸o˜es por segundo)
MIPS = Ic
T×106
= f
CPI×106
■ MFLOPS (milho˜es de operac¸o˜es de ponto flutuante por segundo)
MFLOPS = nu´mero de operac¸o˜es de ponto flutuante
T×106
Benchmarks 1
Agenda
Balanc¸o de
desempenho
Avaliac¸a˜o de
desempenho
Alguns fatores
importantes
Velocidade de
clock
Me´tricas de
desempenho 1
Me´tricas de
desempenho 2
CPI e tipos de
instruc¸o˜es
taxas MIPS e
MFLOPS
Benchmarks 1
Benchmarks 2
Benchmark 3
Lei de Amdahl
Lei de Amdahl
generalizada
EC01008 AOC Evoluc¸a˜o e desempenho do computador II – 15 / 19
Mesmo as taxas MIPS e MFLOPS podem ser inadequadas:
■ Ex.: Executar A=B+C
◆ Ma´quina CISC (1 MIPS)
add mem(B), mem(C), mem(A)
◆ Ma´quina RISC (4 MIPS)
load mem(B), reg(1);
load mem(C), reg(2);
add reg(1), reg(2), reg(3);
store reg(3), mem(A)
Benchmarks 2
Agenda
Balanc¸o de
desempenho
Avaliac¸a˜o de
desempenho
Alguns fatores
importantes
Velocidade de
clock
Me´tricas de
desempenho 1
Me´tricas de
desempenho 2
CPI e tipos de
instruc¸o˜es
taxas MIPS e
MFLOPS
Benchmarks 1
Benchmarks 2
Benchmark 3
Lei de Amdahl
Lei de Amdahl
generalizada
EC01008 AOC Evoluc¸a˜o e desempenho do computador II – 16 / 19
■ Benchmark:
◆ programas elaborados para testar o desempenho.
◆ Escritos em linguagem de alto n´ıvel.
◆ Porta´veis.
■ Exemplo: System Performance Evaluation Corporation – SPEC
CPU2006
◆ Desempenho em aplicac¸o˜es que gastam a maior parte do
tempo na realizac¸a˜o de ca´lculos
◆ 17 programas de ponto flutuante em C, C++, Fortran.
◆ 12 programas de inteiros em C, C++.
◆ 3 milho˜es de linhas de co´digo.
Benchmark 3
Agenda
Balanc¸o de
desempenho
Avaliac¸a˜o de
desempenho
Alguns fatores
importantes
Velocidade de
clock
Me´tricas de
desempenho 1
Me´tricas de
desempenho 2
CPI e tipos de
instruc¸o˜es
taxas MIPS e
MFLOPS
Benchmarks 1
Benchmarks 2
Benchmark 3
Lei de Amdahl
Lei de Amdahl
generalizada
EC01008 AOC Evoluc¸a˜o e desempenho do computador II – 17 / 19
■ Outros pacotes:
◆ SPECjvm98: desempenho de hardware e software da
plataforma cliente JVM
◆ SPECjbb2000: desempenho de aplicac¸o˜es de come´rcio
eletroˆnico baseadas em Java (lado servidor)
◆ SPECweb99: desempenho de servidores WWW
◆ SPECmail2001: desempenho de servidores de email
Lei de Amdahl
Agenda
Balanc¸o de
desempenho
Avaliac¸a˜o de
desempenho
Alguns fatores
importantes
Velocidade de
clock
Me´tricas de
desempenho 1
Me´tricas de
desempenho 2
CPI e tipos de
instruc¸o˜es
taxas MIPS e
MFLOPS
Benchmarks 1
Benchmarks 2
Benchmark 3
Lei de Amdahl
Lei de Amdahl
generalizada
EC01008 AOC Evoluc¸a˜o e desempenho do computador II – 18 / 19
■ Caracteriza o speedup de um programa usando mu´ltiplos
processadores em comparac¸a˜o com um u´nico processador:
Speedup =
tempo de execuc¸a˜o com um u´nico processador
tempo de execuc¸a˜o com N processadores paralelos
=
T (1− f) + Tf
T (1− f) + Tf
N
=
1
(1− f) + f
N
onde f corresponde a` frac¸a˜o paraleliza´vel.
Lei de Amdahl generalizada
Agenda
Balanc¸o de
desempenho
Avaliac¸a˜o de
desempenho
Alguns fatores
importantes
Velocidade de
clock
Me´tricas de
desempenho 1
Me´tricas de
desempenho 2
CPI e tipos de
instruc¸o˜es
taxas MIPS e
MFLOPS
Benchmarks 1
Benchmarks 2
Benchmark 3
Lei de Amdahl
Lei de Amdahl
generalizada
EC01008 AOC Evoluc¸a˜o e desempenho do computador II – 19 / 19
■ Caracteriza o speedup de um programa otimizado por qualquer
processo:
Speedup =
tempo de execuc¸a˜o antes da melhoria
tempo de execuc¸a˜o apo´s a melhoria
=
desempenho apo´s a melhoria
desempenho antes da melhoria
=
1
(1− f) + f
SUf
onde SUf corresponde ao speedup da frac¸a˜o otimizada.
	Agenda
	Balanço de desempenho
	Comparativo de velocidade
	Soluções
	Elementos a considerar no balanço de desempenho
	Aumento de desempenho 1
	Aumento de desempenho 2
	Problemas
	Avaliação de desempenho
	Alguns fatores importantes
	Velocidade de clock
	Métricas de desempenho 1
	Métricas de desempenho 2
	CPI e tipos de instruções
	taxas MIPS e MFLOPS
	Benchmarks 1
	Benchmarks 2
	Benchmark 3
	Lei de Amdahl
	Lei de Amdahl generalizada