本文關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)：量化研究方法，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

> 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)：量化研究方法（第5版） 1.13　歷史回顧與參考文獻(xiàn) 2013-01-04 09:06:24         我要投稿   

本文所屬圖書 > 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)：量化研究方法（第5版）

本書是最權(quán)威的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)著作，是久負(fù)盛名的經(jīng)典作品。書中系統(tǒng)地介紹了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、指令集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、流水線和指令集并行技術(shù)、層次化存儲系統(tǒng)與存儲設(shè)備、互連網(wǎng)絡(luò)以及多處理器系統(tǒng)等重要內(nèi)容。...  立即去當(dāng)當(dāng)網(wǎng)訂購

附錄L從歷史角度回顧了本書每一章中介紹的重要思想。這些歷史回顧可以讓我們通過一系列計(jì)算機(jī)或重大項(xiàng)目的介紹來了解一種思想的發(fā)展歷程。如果你想研究一種思想或機(jī)器的最初發(fā)展，或者希望擴(kuò)展閱讀，可以參見每段歷史介紹的末尾提供的參考文獻(xiàn)。關(guān)于本章，可參見附錄L.2節(jié)（The Early Development of Computers，計(jì)算機(jī)的早期發(fā)展），其中討論了數(shù)字計(jì)算機(jī)及性能測量方法的早期發(fā)展。

在閱讀這些歷史資料時，你很快就會意識到，與許多其他工程領(lǐng)域相比，計(jì)算科學(xué)是如此“年輕”，它的重要優(yōu)勢之一就是許多先驅(qū)仍 然健在——我們可以直接向他們了解歷史！

案例研究與練習(xí)（Diana Franklin設(shè)計(jì)）

案例研究1：芯片制造成本

本案例研究說明的概念

制造成本

制造成品率

以冗余容忍缺陷

計(jì)算機(jī)芯片的價格中涉及許多因素。新的小型化技術(shù)大幅提升了芯片性能，降低了所需要的芯片面積。采用小型化技術(shù)，人們可以縮小芯片的面積或者在芯片上放置更多硬件，從而實(shí)現(xiàn)更多功能。在這個研究案例中，我們將研究包括制造技術(shù)、芯片面積和冗余在內(nèi)的各種不同設(shè)計(jì)決策是如何影響芯片成本的，見表1-11。

表1-11　幾種現(xiàn)代處理器的制造成本因素

芯　　片 晶片尺寸（mm2） 估測缺陷率（每cm2） 制程（nm） 晶體管數(shù)（百萬個）

IBM Power5 389 0.30 130 276

Sun Niagara 380 0.75 90 279

AMD Opteron 199 0.75 90 233

1.1 [10/10] <1.6>表1-11給出了影響幾種當(dāng)前芯片成本的相關(guān)芯片統(tǒng)計(jì)數(shù)字。在下面幾個練習(xí)中，我們將研究IBM Power5的不同設(shè)計(jì)決策所產(chǎn)生的影響。

a. [10] <1.6>IBM Power5的成品率是多少？

b. [10] <1.6>為什么IBM Power5的缺陷率要低于Niagara和Opteron？

1.2 [20/20/20/20] <1.6>建造一套新的制造設(shè)備需要10億美元。我們將銷售由這家工廠生成的一系列芯片，需要決定每種芯片的生產(chǎn)量。Woods芯片的大小為150 mm2，每個無缺陷芯片的利潤為20美元。Markon芯片的大小為250 mm2，每個無缺陷芯片的利潤為25美元。這套制造設(shè)備與Power5的制造設(shè)備相同。每個晶圓的直徑為300 mm。

a. [20] <1.6>如果制造Woods芯片，每個晶圓的利潤為多少？

b. [20] <1.6>如果制造Markon芯片，每個晶圓的利潤為多少？

c. [20] <1.6>我們應(yīng)當(dāng)用這套設(shè)備生產(chǎn)哪種芯片？

d. [20] <1.6>每種新Power5芯片的利潤是多少？如果Woods芯片的月需求量為50 000個，Markon芯片為25 000個，而這套設(shè)備一個月可以生產(chǎn)150個晶圓，如何分配這些晶圓？

1.3 [20/20] <1.6>AMD公司的一位同事建議：由于成品率如此之低，所以如果在晶片上再放一個核心，只有那些兩個處理器都失效的芯片才被扔掉，那就有可能降低芯片的制造成本。為了完成這個練習(xí)，我們將成品率看作是在給定缺陷率下，特定區(qū)域未發(fā)生缺陷的概率。分別基于每種Opteron核心計(jì)算概率（這種計(jì)算方法可能不完全準(zhǔn)確，成品率公式是根據(jù)實(shí)驗(yàn)證據(jù)得出的，而不是根據(jù)芯片不同部分出現(xiàn)錯誤的概率，再經(jīng)過數(shù)學(xué)計(jì)算得出的）。

a. [20] <1.6>在兩個處理器核心中，缺陷核心數(shù)不超過一個的概率是多少？

b. [20] <1.6>如果每個舊芯片的成本為20美元，考慮到新的芯片面積和成品率，新芯片的成本應(yīng)當(dāng)是多少？

案例研究2：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的功耗

本案例研究說明的概念

Amdahl定律

冗余

MTTF

功耗

現(xiàn)代系統(tǒng)中的功率取決于多種因素，包括芯片時鐘頻率、效率、磁盤驅(qū)動器速度、磁盤驅(qū)動器使用率和DRAM。下面的練習(xí)研究不同設(shè)計(jì)決策和使用情景對功率的影響。

1.4 [20/10/20] <1.5>表1-12給出了幾種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組件的功耗。在這個練習(xí)中，我們將研究硬盤驅(qū)動器是如何影響系統(tǒng)功耗的。

a. [20] <1.5>假定每個組件的負(fù)載最大，且電源效率為80%，有一系統(tǒng)，采用Intel Pentium 4芯片，2 GB 240管腳金士頓DRAM和一個7200 rpm的硬盤驅(qū)動器，問服務(wù)器電源必須向這個系統(tǒng)提供的功率為多少瓦？

b. [10] <1.5>如果這個7200 rpm磁盤驅(qū)動器的空閑時間大約占60%，則它會消耗多少功率？

c. [20] <1.5>假定從一個7200 rpm磁盤驅(qū)動器讀取數(shù)據(jù)的時間大約是5400 rpm磁盤讀取時間的75%，7200 rpm磁盤的空閑時間占多大比例時，兩個磁盤的平均功耗相等嗎？

1.5 [10/10/20] <1.5>在為服務(wù)器場供電時，一個至關(guān)重要的因素就是冷卻。如果不能有效地使計(jì)算機(jī)散熱，風(fēng)扇就會把熱空氣而不是冷空氣吹回計(jì)算機(jī)。我們將研究各種不同設(shè)計(jì)決策如何影響一個系統(tǒng)的必要冷卻方式，從而影響它的價格。請使用表1-12進(jìn)行功率計(jì)算。

a. [10] <1.5>機(jī)架上安裝一個冷卻門的成本是4000美元，可以消散14 KW（向室內(nèi)散熱；向室外散熱需要增加成本）。如果服務(wù)器采用Intel Pentium 4處理器，1 GB 240管腳DRAM和一個7200 rpm硬盤驅(qū)動器，那么一個冷卻門可以冷卻多少個服務(wù)器？

b. [10] <1.5>我們正在考慮為硬盤驅(qū)動器提供容錯功能。RAID 1將磁盤數(shù)目加倍（見第6章）�，F(xiàn)在，一個只有一個冷卻器的機(jī)架中可以放入多少個系統(tǒng)？

c. [20] <1.5>典型的服務(wù)器場每平方英尺可以消耗最多200W的熱量。如果一個服務(wù)器機(jī)架需要11平方英尺（包括前后間隙），在一個機(jī)架內(nèi)可以放入多少個第(a)步中提到的服務(wù)器？需要多少個冷卻門？

表1-12　幾種計(jì)算機(jī)組件的功耗

組件類型 產(chǎn)　　品 性　　能 功　　率

處理器 Sun Niagara 8-core 1.2 GHz 72~79 W（峰值）

  Intel Pentium 4 2 GHz 48.9~66 W

DRAM 金士頓X64C3AD2 1 GB 184個管腳 3.7W

  金士頓D2N3 1 GB 240個管腳 2.3W

硬盤驅(qū)動器 DiamondMax 16 5400 rpm 讀取/尋道時7.0 W，空閑時2.9 W

  DiamondMax 9 7200 rpm 讀取/尋道時7.9 W，空閑時4.0 W

1.6 [討論]<1.8>表1-13給出了幾種基準(zhǔn)測試對兩個服務(wù)器的功率和性能進(jìn)行對比的結(jié)果。兩個服務(wù)器分別為Sun Fire T2000（采用Niagara）和IBM x346（使用Intel Xeon處理器）。這一信息曾在Sun Web網(wǎng)站上發(fā)布。共發(fā)布了兩條信息：兩個基準(zhǔn)測試的功率和速度。對于所示結(jié)果，Sun Fire T2000顯然要更好一些。還有其他哪些因素也很重要，會使一些人因?yàn)镮BM x346在這些領(lǐng)域有出眾表現(xiàn)而選擇它？

表1-13　Sun功率/性能對比，由Sun選擇性報(bào)告

  Sun Fire T2000 IBM x346

功率（瓦） 298 438

SPECjbb（操作數(shù)/秒） 63 378 39 985

功率（瓦） 330 438

SPECWeb（復(fù)合） 14 001 1348

1.7 [20/20/20/20] <1.6、1.9>公司的內(nèi)部研究表明：一個單核系統(tǒng)就足以滿足對處理能力的要求，而我們正在研究使用兩個核心能否節(jié)省功率。

a. [20] <1.9>假定應(yīng)用程序有80%是可并行化的。可以將頻率降低多少而仍能獲得相同性能？

b. [20] <1.6>假定電壓可能隨頻率線性下降。利用1.5節(jié)的公式，與單核系統(tǒng)相比，雙核系統(tǒng)可能需要多少動態(tài)功率？

c. [20] <1.6、1.9>現(xiàn)在假定電壓不會降至原電壓的25%以下。這一電壓被稱為電壓下限，低于這一電壓就會丟失狀態(tài)。當(dāng)并行化百分比為多少時，將使電壓處于這一電壓下限？

d. [20] <1.6、1.9>使用1.5節(jié)的公式，考慮到電壓下降，雙核系統(tǒng)與單核系統(tǒng)相比，需要多少動態(tài)功率？

練習(xí)

1.8 [10/15/15/10/10] <1.4、1.5>架構(gòu)師面對的一個挑戰(zhàn)是，今天擬定的設(shè)計(jì)方案可能需要幾年的時間進(jìn)行實(shí)施、驗(yàn)證和測試，然后才能上市。這就意味著架構(gòu)師必須提前為幾年之后的技術(shù)進(jìn)步制定計(jì)劃。有時，這是很難做到的。

a. [10] <1.4>根據(jù)摩爾定律觀測到的器件發(fā)展趨勢，到2015年，一個芯片上的晶體管數(shù)目應(yīng)當(dāng)是2005年的多少倍？

b. [15] <1.5>時鐘頻率的增加也一度反映了這一趨勢。如果時鐘頻率仍以20世紀(jì)90年代的相同速度攀升，2015年的時鐘速率大約是多少？

c. [15] <1.5>以目前的增長速率，2015年的時鐘頻率是多少？

d. [10] <1.4>是什么限制了時鐘頻率的增長速度？為了提升性能，架構(gòu)師現(xiàn)在能用多出來的晶體管做些什么？

e. [10] <1.4>DRAM容量的增長速度也已變緩。20年來，DRAM容量每年提高60%。這一速率下降到每年40%，現(xiàn)在的改進(jìn)速率為每年25%～40%。如果這一趨勢繼續(xù)下去，2020年的DRAM容量增速大約是多少？

1.9 [10/10] <1.5>我們正在為一種實(shí)時應(yīng)用設(shè)計(jì)系統(tǒng)，這種應(yīng)用要求必須在指定期限之前完成計(jì)算。提前完成計(jì)算沒有任何收益。我們發(fā)現(xiàn)，在最糟糕的情況下，這一系統(tǒng)執(zhí)行必需代碼的速度是最低要求速度的兩倍。

a. [10] <1.5>如果以當(dāng)前速度執(zhí)行計(jì)算，并在完成任務(wù)后關(guān)閉系統(tǒng)，可以節(jié)省多少能量？

b. [10] <1.5>如果將電壓和頻率設(shè)置為現(xiàn)在的一半，可以節(jié)省多少能量？

1.10 [10/10/20/20] <1.5>諸如Google和Yahoo!之類的服務(wù)器場都為當(dāng)時的最高請求速率提供了足夠的計(jì)算容量。假設(shè)這些服務(wù)器在大多數(shù)時間內(nèi)僅以60%的容量運(yùn)行。進(jìn)一步假設(shè)功率不會隨負(fù)載線性改變，也就是說，當(dāng)服務(wù)器以60%的容量運(yùn)行時，它們消耗的功率為最大功率的90%。這些服務(wù)器可以關(guān)閉，但在負(fù)載更多時，需要的重新啟動時間過長。有人提議采用一種新型系統(tǒng)，，它能夠快速重新啟動，但處在這種“勉強(qiáng)生存”狀態(tài)時需要消耗一定的功率，為最大值的20%。

a. [10] <1.5>關(guān)閉60%的服務(wù)器可以節(jié)省多少功率？

b. [10] <1.5>將60%的服務(wù)器置于“勉強(qiáng)生存”狀態(tài)，可以節(jié)省多少功率？

c. [20] <1.5>將電壓降低20%，頻率降低40%，可以節(jié)省多少功率？

d. [20] <1.5>將30%的服務(wù)器置于“勉強(qiáng)生存”狀態(tài)，30%的服務(wù)器關(guān)閉，可以節(jié)省多少功率？

1.11 [10/10/20] <1.7>可用性是服務(wù)器設(shè)計(jì)中的最重要考慮事項(xiàng)，緊隨其后的是可擴(kuò)展性和吞吐量。

a. [10] <1.7>有一個處理器，其FIT為100。這個系統(tǒng)的平均無故障時間（MTTF）為多少？

b. [10] <1.7>如果需要1天的時間才能讓這個系統(tǒng)再次正常運(yùn)行，這個系統(tǒng)的可用性是多少？

c. [20] <1.7>假設(shè)政府為了降低成本，準(zhǔn)備用廉價計(jì)算機(jī)構(gòu)建一個超級計(jì)算機(jī)，而不是使用可靠但卻昂貴的計(jì)算機(jī)。一個具有1000個處理器的系統(tǒng)，其MTTF為多少？（假設(shè)這些處理器一損俱損。）

1.12 [20/20/20] <1.1、1.2、1.7>在Amazon或eBay使用的服務(wù)器場中，一個故障不會導(dǎo)致整個系統(tǒng)崩潰，而是減少在任意時刻能夠滿足的請求數(shù)目。

a. [20] <1.7>如果一個公司有10 000臺計(jì)算機(jī)，每臺計(jì)算機(jī)的MTTF為35天，而且只有當(dāng)1/3以上的計(jì)算機(jī)發(fā)生故障時才會經(jīng)歷災(zāi)難性故障，系統(tǒng)的MTTF為多少？

b. [20] <1.1、1.7>如果一臺計(jì)算機(jī)的MTTF加倍，需要另加1000美元，這是不是一個很好的業(yè)務(wù)決策？證明你的結(jié)論。

c. [20] <1.2>表1-2給出了宕機(jī)的平均成本，假定在一年的所有時間內(nèi)，該成本不變。但對于零售商來說，圣誕季節(jié)是盈利水平最高的（因此，如果因?yàn)殄礄C(jī)造成無法銷售，損失也最大）。如果目錄銷售中心在第四季度的通信流量是其他任一季度的兩倍，那第四季度每小時的平均宕機(jī)成本是多少？其他時間的宕機(jī)成本又是多少？

1.13 [10/20/20] <1.9>你的公司正要選擇是購買Opteron，還是Itanium 2。你已經(jīng)分析了公司的應(yīng)用情況，在60%的時間里運(yùn)行類似于wupwise之類的應(yīng)用程序，20%的時間里運(yùn)行類似于ammp之類的應(yīng)用程序，20%的時間里運(yùn)行類似于apsi之類的應(yīng)用程序。

a. [10] 如果僅依據(jù)SPEC總體性能進(jìn)行選擇，你選擇哪一種？為什么？

b. [20] 對Opteron和Itanium 2來說，這種混合應(yīng)用程序的加權(quán)平均執(zhí)行時間比是多少？
c. [20] Opteron相對于Itanium 2的加速比是多少？

1.14 [20/10/10/10/15] <1.9>在這個練習(xí)中，假定我們正在考慮通過添加向量硬件來提高一個機(jī)器的性能。當(dāng)一個計(jì)算運(yùn)行于向量硬件的向量模式時，其速度是正常執(zhí)行模式的10倍。我們將使用向量模式時花費(fèi)的時間百分比稱為向量化百分比。向量將在第4章討論，但回答下面的問題不需要知道有關(guān)其工作方式的任何信息！

a. [20] <1.9>繪制一條曲線，以加速比為因變量，以向量模式下所執(zhí)行計(jì)算的比例為自變量。將y軸標(biāo)記為“凈加速比”，x軸標(biāo)記為“向量化百分比”。

b. [10] <1.9>向量化百分比達(dá)到多少時，才能使加速比為2？

c. [10] <1.9>如果已經(jīng)使加速比為2，在向量模式下的計(jì)算運(yùn)行時間占多大百分比？

d. [10] <1.9>向量化百分比達(dá)到多少時，才能使加速比為向量模式所能實(shí)現(xiàn)的最大加速比的一半？

e. [15] <1.9>假定已經(jīng)測得程序的向量化百分比為70%。硬件設(shè)計(jì)組估計(jì)，通過大量追加投入，可以加快向量硬件的速度。你想知道編譯器組是否也能提高向量化百分比。編譯器團(tuán)隊(duì)需要實(shí)現(xiàn)多大的向量化百分比，才能在向量單元中獲得另外2倍的加速（超過最初的10倍以上）？

1.15 [15/10] <1.9>假定我們對一臺計(jì)算機(jī)進(jìn)行了升級，使某種執(zhí)行模式提升為原來的10倍。升級模式的使用時間占總時間的50%，這一數(shù)值是在使用該升級模式時測得的執(zhí)行時間百分比。回想一下，Amdahl定律需要的是能改進(jìn)但還沒有改進(jìn)的原執(zhí)行時間比例。因此，在使用Amdahl定律計(jì)算加速比時，不能使用這個50%的測量值。

a. [15] <1.9>從快速模式獲得的加速比是多少？

b. [10] <1.9>轉(zhuǎn)換為快速模式的原執(zhí)行時間比例是多少？

1.16 [20/20/15] <1.9>在為了優(yōu)化處理器的某一部分而進(jìn)行改變時，經(jīng)常會出現(xiàn)這樣一種情況：加速某種類型的指令時，會降低其他某些指令的速度。例如，如果放入一個復(fù)雜的浮點(diǎn)單元，它要占用空間，為了容納它，就得將某些東西移得遠(yuǎn)一些，這樣就會要增加一些延遲周期才能到達(dá)被挪遠(yuǎn)的單元�；镜腁mdahl定律公式?jīng)]有考慮這種折中。

a. [20] <1.9>如果這個新的快速浮點(diǎn)單元使浮點(diǎn)運(yùn)算平均提高到2倍，浮點(diǎn)運(yùn)算占用的時間為原程序執(zhí)行時間的20%，那么總加速比為多少（忽略對所有其他指令的影響）？

b. [20] <1.9>現(xiàn)在假定浮點(diǎn)單元的加速會降低數(shù)據(jù)緩存訪問的速度，減緩倍數(shù)為1.5（或者說加速比為2/3）。數(shù)據(jù)緩存訪問時間為總執(zhí)行時間的10%。現(xiàn)在的總加速比為多少？

c. [15] <1.9>在實(shí)現(xiàn)新的浮點(diǎn)運(yùn)算之后，在浮點(diǎn)運(yùn)算上花費(fèi)的執(zhí)行時間占多大比例？數(shù)據(jù)緩存訪問又占多大比例？

1.17 [10/10/20/20] <1.10>公司剛剛購買了一個新的Intel Core i5雙核處理器，你接到針對這一處理器來優(yōu)化軟件的任務(wù)。你將在這個雙核處理器上運(yùn)行兩個應(yīng)用程序，但它們的資源需求并不一樣。第一個程序需要80%的資源，另一個僅需要20%的資源。假定對該程序的一部分進(jìn)行并行化時，該部分的加速比為2。

a. [10] <1.10>假定第一個應(yīng)用程序的40%可以并行化，那么在隔離運(yùn)行時，通過這個應(yīng)用程序可以實(shí)現(xiàn)多大的加速比？

b. [10] <1.10>假定第二個應(yīng)用程序的99%可以并行化，那么在隔離運(yùn)行時，這個應(yīng)用程序可以達(dá)到多大的加速比？

c. [20] <1.10>假定第一個應(yīng)用程序的40%可以并行化，如果對其實(shí)現(xiàn)并行化，系統(tǒng)總加速比為多少？

d. [20] <1.10>假定第二個應(yīng)用程序的99%可以并行化，如果對其實(shí)現(xiàn)并行化，系統(tǒng)總加速比為多少？

1.18 [10/20/20/20/25] <1.10>在實(shí)現(xiàn)一個應(yīng)用程序的并行化時，理想加速比應(yīng)當(dāng)?shù)扔谔幚砥鞯膫�數(shù)。但它要受到兩個因素的限制：可并行化應(yīng)用程序的百分比和通信成本。Amdahl定律考慮了前者，但沒有考慮后者。

a. [10] <1.10>如果應(yīng)用程序的80%可以并行化，N個處理器的加速比為多少？（忽略通信成本。）

b. [20] <1.10>如果每增加一個處理器，通信開銷為原執(zhí)行時間的0.5%，則8個處理器的加速比為多少？

c. [20] <1.10>如果處理器數(shù)目每增加一倍，通信開銷增加原執(zhí)行時間的0.5%，則8個處理器的加速比為多少？

d. [20] <1.10>如果處理器數(shù)目每增加一倍，通信開銷增加原執(zhí)行時間的0.5%，則N個處理器的加速比為多少？

e. [25] <1.10>寫出求解這一問題的一般公式：如果一個應(yīng)用程序中占原執(zhí)行時間的P%可以并行化，處理器數(shù)目每增加一倍，通信成本增加原執(zhí)行時間的5%，則達(dá)到最高加速比的處理器數(shù)目為多少？

點(diǎn)擊復(fù)制鏈接 與好友分享!回本站首頁 您對本文章有什么意見或著疑問嗎？請到論壇討論您的關(guān)注和建議是我們前行的參考和動力   上一篇：1.12　結(jié)語 下一篇：精益創(chuàng)業(yè)實(shí)戰(zhàn)（第2版） 相關(guān)文章

1.13　如何用龍須面穿過整個宇宙？

1.13　傳播距離和輻射角

不期回報(bào)地參與對話

參與者

2.5.6　OLAP與OLTP

2.2.3　導(dǎo)航與搜索

1.1　《指南》與項(xiàng)目管理的關(guān)系

1.6.3　成本與價格

1.11　謬論與易犯錯誤

O2O與電商

圖文推薦

  本文關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)：量化研究方法，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：336428