Интерактивный рабочий лист студента по дисциплине «Архитектура аппаратных средств» (СИЭУиП, занятие 18). Классификация вычислительных систем по таксономии Флинна (SISD, SIMD, MISD, MIMD); анализ топологий организации оперативной памяти (SMP/UMA, NUMA, кластеры с распределенной памятью); метрики быстродействия (MIPS, MFLOPS/GFLOPS/TFLOPS, тест Linpack HPL); расчет масштабируемости многопроцессорных систем по закону Амдала и закону Густафсона-Барсиса по 4 вариантам кейсов.
Заполните матрицу классификации вычислительных систем по потокам команд (Instruction Stream) и данных (Data Stream). Укажите архитектурные принципы, характерные аппаратные реализации и сопоставьте топологию памяти (SMP/UMA, NUMA, MPP/Cluster).
| Класс Флинна | Потоки команд и данных | Аппаратная реализация и примеры ЭВМ | Организация памяти | Узкое место архитектуры |
|---|---|---|---|---|
| SISD | ||||
| SIMD | ||||
| MISD | ||||
| MIMD |
Рассчитайте теоретическую пиковую производительность вычислительного узла в GFLOPS/TFLOPS и сопоставьте с результатами синтетического теста Linpack (HPL). Формула пиковой производительности: Rpeak = N_cores × Freq (ГГц) × FLOP/цикл.
| Вычислительная система | Параметры узла | Расчет Rpeak (GFLOPS / TFLOPS) | Эффективность Linpack (Rmax / Rpeak) |
|---|---|---|---|
| Серверный CPU (x86-64) Два сокета, по 32 ядра на сокет (всего 64 ядра), базовая частота 2.5 ГГц, поддержка 2 блоков FMA AVX-512 (32 DP FLOP/цикл на ядро). |
N = 64 ядра f = 2.5 ГГц FLOP/цикл = 32 DP |
||
| Вычислительный GPU-ускоритель 108 SM, 64 FP32 CUDA-ядра на SM (6912 ядер FP32), тактовая частота 1.5 ГГц (2 FLOP/цикл на ядро FMA FP32). |
N = 6912 ядер f = 1.5 ГГц FLOP/цикл = 2 SP |
Сравните предельное ускорение многопроцессорных систем при фиксированном объеме задачи (закон Амдала: S_Amdahl = 1 / (s + p / n)) и при масштабировании объема задачи пропорционально числу процессоров (закон Густафсона-Барсиса: S_Gustafson = s + p × n = 1 + (n - 1) × p), где s — доля последовательного кода, p = 1 - s — доля параллельного кода, n — число узлов/ядер.
| Число процессоров (n) | Доля послед. кода (s) | Ускорение по закону Амдала (S_A) | Ускорение по закону Густафсона (S_G) |
|---|---|---|---|
| n = 8 | s = 0.05 (p = 0.95) | ||
| n = 64 | s = 0.05 (p = 0.95) | ||
| n = 512 | s = 0.05 (p = 0.95) | ||
| Предел при n → ∞ | s = 0.05 (p = 0.95) |
Решите комплексную инженерную задачу в соответствии с выбранным вариантом. Проведите классификацию архитектуры, рассчитайте показатели ускорения и эффективности параллелизации, обоснуйте меры по преодолению аппаратных барьеров.