マイクロプロセッサ

1. マイクロプロセッサ 第２回 コンピュータの性能 関根　優年

2. 性能（performance) • 性能評価は難しい 　　　値段が高いから性能が良いとは限らない • 周波数が高いから早い？　　　　　3GHz • メモリ容量が大きいから早い？ 　２５６MB • HDDが大きいから性能は良い？ ８０GB • 動作時間が長いから良い？　　　　７時間 • 性能は用途によって異なる • 画像処理，ワープロ，数値科学計算 • 問題の大きさ　200MB，1GB?

3. Core i7?? • マルチコアが必要？ • 何に使用する？

4. nikkeiTRENDYnet　記事 • Core i7は本当に速いのか？ Core 2 Duoと実力を比べた • シングルスレッド当りの性能を比較してみる • 円周率計算プログラム「スーパーπ」を使い、1677万桁の計算にかかった時間 • RAWデータの現像速度を比較してみる • 800万画素クラスのデジタルカメラで撮影したRAWデータ（1ファイルあたり約13MB）を30枚読み込み、プリセットの現像パラメーターで現像してJPEG形式で保存

5. スループット・実行時間 コンピュータの性能とは何？ 実行時間 ： 作業を開始してから終了するまでの時間 （応答時間） スループット: 一定時間内に終了した作業の総量 (a) スループット 同じ実行時間でも、 スループットは異なる 実行時間 スループット (b) 車で言えば、 　　速度が実行時間 　　馬力がスループット 実行時間

6. 例題）　スループットと応答時間 例題） コンピュータシステムに下記の変更を加えた場合、スルー プット、実行時間はどうなるか？ １．プロセッサを高速にする ２．複数プロセッサを用いる 答） １．プロセッサを高速にする 　　　　⇒　実行時間は短くなる。 スループットは大きくなる。 ２．複数プロセッサを用いる 　　　　⇒　（基本的には）実行時間はそのまま。 　　　　　　 スループットは大きくなる。

7. 性能・相対性能 ここでは、実行時間に着目してマシン性能を考える （マシンXの）性能の定義 性能X＝１／実行時間X 単位時間あたりの実行回数 マシンの性能比 マシンXはマシンYよりもｎ倍早い ｎ = 性能X／性能Y = 実行時間Y／実行時間X

8. 例題）　相対性能 例題） 同じプログラムを動かしたときにかかる時間が、マシン Aでは１０秒、マシンBでは１５秒である。マシンAは マシンBよりもどれだけ速いか？ 答） マシンAの性能 1/10 [s-1] マシンBの性能 1/15 [s-1] よって、マシンAとマシンBの性能比は、 性能比＝(1/10) / (1/15) =15/10 =1.5 倍

9. 性能の測定 コンピュータの性能は実行時間で計測可能 実行時間の計り方は様々 ここではユーザCPU時間をCPU性能とする。

10. クロック マイクロプロセッサはクロックに基づき動作 電圧 クロック周期 時間 クロック周期＝クロックサイクルタイム クロック周波数＝1／クロック周期 例） Pentium IV 3GHz CPU内部のクロック周波数が3GHz 　　　　　 クロック周期は0.33ns

11. 同期式回路 • 素子の動作がまちまち　 →　回路の動作がまちまち　→　同時をどう表す？ • 時間も離散化する：　同じクロック内＝同時 クロックのエッジ時刻で同時に動作 • 時間の揺らぎによる誤動作を防ぐ． • 回路が同時に動くので瞬間的に電流が流れる • 回路が動かないときでもクロック信号は動作 無駄なエネルギーが消費される

12. 測定基準同士の関係 コンピュータの最終的な性能はCPU実行時間 クロック サイクルタイム そのプログラムの CPUクロック・サイクル数 あるプログラムの CPU実行時間 X ＝ クロック 周波数 そのプログラムの CPUクロック・サイクル数 ÷ ＝ コンピュータの性能を挙げるためには、 ①　クロック周波数を上げるか、 　　②　プログラムが必要とするサイクル数を減らすか を行えばよい。 実際には、これらを両立するのは難しい。 （回路を単純化するとクロック周波数は上がるが、サイクル数は増える、 逆に複雑にするとクロック周波数が下がるが、サイクル数は減る）

13. 例題）　性能の改善 例題） クロック周波数400MHzのマシンA上で10秒で実行でき るプログラムを、6秒で動かすマシンBを開発する。マシン Aでプログラムを実行するのに比べ、1.2倍のサイクル数 を必要とする。マシンBの周波数をいくつにすればよいか？ 答） CPU時間A＝サイクル数A / (400 x 106)=10 CPU時間B＝サイクル数B / クロック周波数B =6 サイクル数B＝1.2 x サイクル数A ＝1.2 x 10 x 400 x 106より クロック周波数B = サイクル数B / 6 = 1.2 x 10 x 400 x 106 / 6= 800 x 106 = 800 MHz

14. CPI(1命令あたりの平均クロックサイクル数) 実際にはプログラムは複数の命令からなる プログラムにおける命令数が増えれば、一般に プログラムに必要なサイクル数は増加する。 命令数とサイクル数の関係を表す指標としてCPIを導入 CPI(1命令あたりの平均クロックサイクル数) プログラムの CPUクロック・サイクル数 1命令あたりの 平均クロックサイクル数 プログラム中の実行命令数 ＝ X CPI 一般に命令によって、必要とするサイクル数は異なる （命令Aは１サイクル、命令Bは２サイクルといった感じ）

15. 例題）　性能方程式の使用 例題） 同じ命令セットアーキテクチャを持つ２種類のマシンがある。 マシンAはクロックサイクルタイムが1nsで、あるプログラムで のCPIは2.0、マシンBはそれぞれ2ns、1.2であった。このプ ログラムではどちらのマシンがどの程度高速か？ 答） CPU時間A＝命令数A x 2.0 x (1 x 10-9) CPU時間B＝命令数B x 1.2 x (2 x 10-9) 同一の命令セットであるので、命令数A＝命令数Bより 性能比 = CPU時間B／ CPU時間A =（1.2 x 2 x 10-9) ／ (2.0 x 1 x 10-9) = 1.2 （マシンAがマシンBよりも1.2倍速い）

16. CPIとCPU時間の関係式(1) クロック サイクルタイム あるプログラムの CPU実行時間 プログラム中の実行命令数 CPI X X ＝ クロック 周波数 ＝ プログラム中の実行命令数 CPI ÷ X

17. CPIとCPU時間の関係式(2) クロック 周波数 プログラム中の実行命令数 あるプログラムの CPU実行時間 CPI ＝ ÷ X プログラムを動か せば計れる マシン性能諸元 として与えられる 単体ではほとんど 計測不能 実行命令数はアーキテ クチャに依存するが、詳 細を知らずとも測定可能 CPIの入手法 : ①　マシンの細部に渡ってシミュレーションする 　　　　　　　 　 ② 命令の種類別に観測する

18. 例題）　コード系列の比較 例題） あるマシンについて、命令クラスA,B,CとCPIの関係が、 CPIA=1, CPIB=2, CPIC=3と与えられている。これらの命 令クラスを用いたコード系列として、次の２つがある。 どちらが実行速度が速く、またCPIはそれぞれいくつか？ 答） コード系列1のクロックサイクル数＝2x1+1x2+2x3=10 コード系列2のクロックサイクル数＝4x1+1x2+1x3=9 これより、コード系列２の方が実行速度が速い。 コード系列1のCPI＝(2x1+1x2+2x3)/(2+1+2)=10/5=2.0 コード系列2のCPI＝(4x1+1x2+1x3)/(4+1+1)=9/6=1.5

19. コードのビット長 • 命令のビット幅も実は大事 • 4bit，8bit，16bit，32bit • マイコン，PIC，などで健在 • Bitが貴重であった時代 • 12bitもあった(TLCS12)． • 今，64bit，128bit， • Very Long Instruction Word(VLIW)

20. 性能比較のまとめ方 どちらのコンピュータがどれだけ速いか 　－－－用いる尺度により種々の結果が得られる 合計時間 Σtai = ta1 + ta2 算術平均 Σtai /n = (ta1 + ta2)/2 加重算術平均 Σ(tai*wi) /n = (ta1*w1 + ta2*w2)/2 wiはプログラムiの実行頻度 幾何平均 √(ta1*ta2)

21. 基準マシンに対して正規化して比較 • 基準マシンとの比の平均を取るとだまされる

22. CPU性能を改善する方法 命令セット・アーキテクチャが同じとき 1．クロック周波数を上げる 2．CPIを下げるようにプロセッサの構成を改善する 3．命令数を減らすか平均CPIの低い命令を生成するように コンパイラを改善する 命令セット・アーキテクチャ（instruction set architecture)： どんな機械命令（machine instruction)を用意するか 例）a=b+c load R1, b add R1, b, c load R2, c store R1, a add R3, R1, R2 store R3, a RISC(reduced instruction set computer) CISC(complex instruction set computer) 演算はregister間のみ 　　memory間の演算も許す 命令数は多くなるが各命令は 　　命令数は少ないが複雑で処理時間が 単純で高速。固定長命令　　　　　　　　長いものもある。可変長命令 memoryからのloadもadd命令の中で実行

23. 性能評価用のプログラム（ベンチマーク） 例）　SPEC95ベンチマーク

24. 周波数を変えてSPECint95/SPECfp95をテスト SPECint SPECfp クロック周波数(MHz) • 同じ周波数でも1.4x(int)，1.7x(fp)の差 • 周波数を2x変化：　pentium:1.7x(int)1.4x(fp) • Pentium Proの方が変化量が大きい

25. MIPS, MOPS, FLOPS 他の評価機軸 (絶対）MIPS(Million Instructions Per Second) ―1秒あたりの実行命令数（ただし100万単位) 相対MIPS ＝（時間基準マシン／時間評価マシン）ｘMIPS基準マシン MOPS(Million of Operations Per Second) ― 1秒あたりの演算数（ただし100万単位） MFLOPS(Million of FLoating Operations Per Second) ― 1秒あたりの浮動小数点演算数（ただし100万単位） PeakMIPS　誤解を生みやすい

26. MFLOPS • 浮動小数点演算も実現される方法が異なるので信用できない． • コンパイラ・プログラムはfloatを使わない • 浮動小数点除算M68882はあるがCray-2にはない • Sin演算はM68882は１命令 • 自分に都合の良い評価方法がその都度作られる

27. 計算時間だけの評価では不十分 • データをプロセッサに送るまでの時間 • ノイマン・ボトルネックという • 処理結果を取り出す・記憶する時間 • メモリとハード・ディスクでは異なる • プログラムの構造，データ構造により処理時間も異なる． • 並列的な問題を逐次的に処理する． 理想的な機械：専用演算器を沢山持ち， データのあるところで処理をする

28. Amdahlの法則 マシンのある面を改善しても、その改善度に等しい 性能向上は得られるとは限らない。 例）　あるマシンでプログラムを動作する際に、実行時間 　　　のうち80％が乗算でしめられている。乗算を高速化 　　　することにより、実行時間を現在の5倍にできるか？ 答）　できない 乗算がいくら早くなっても、残りの20％の実行時間 は必要とされるため ある大きな問題を解決したとき、その問題に埋もれていた 次の問題が見えてくるのがAmdahlの法則