电子科大-高级系统结构-第1章量化设计与分析基础-计算机系统结构-徐洁

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1、1,第1章 计算机设计基础,1.1 引言 1.2 计算机的分类 1.3 计算机系统结构定义和计算机的设计任务 1.4 实现技术的趋势 1.5 集成电路功耗的趋势 1.6 成本的趋势 1.7 可靠性 1.8 测量、报告和总结计算机性能 1.9 计算机设计的量化原则 1.10 综合：性能和性价比,元器件成本是设计者需要考虑的一个方面 影响成本的主要因素： Time-元器件价格随着时间而下降（实现技术没有实质性改进）。因为随着时间推移产出率不断增高。 Volume （产量）-提高意味着制造效率提高 Commodification（商品）-元器件供应商之间的竞争会降低成本,1.6 成本的趋势,2,存储

2、器芯片成本趋势,3,集成电路的生产过程,4,集成电路成本 =,芯片成本 + 芯片测试成本 + 封装成本与最终测试成本 最终测试成品率,每个集成电路成本的计算：,芯片成本 =,晶园成本 每片晶园的芯片数 芯片成品率,每片晶圆的芯片数 = -,晶圆面积 芯片面积,晶圆周长 芯片对角线长,芯片成品率 = 晶圆成品率 （ 1 + ）,单位面积的缺陷数 芯片面积 ,-,5,每片晶圆的芯片数 = -,晶圆面积 芯片面积,结论1，芯片面积直接影响芯片成本： 芯片面积大 晶圆上芯片数减少 芯片成本上升,晶圆周长 芯片对角线长,是取决于制造工艺复杂性的一个参数，与掩膜的层数成正比。 对于目前复杂的CMOS工艺来

3、说，合适的估计是 =4 。 单位面积缺陷数是衡量材料与工艺的一个指标，典型值为 0.51/cm2,芯片成品率 = 晶圆成品率 （ 1 + ）,单位面积的缺陷数 芯片面积 ,-,假设为100%,6,例子：直径为30cm的晶圆上有多少边长为1.5cm的芯片？ 答：芯片面积为（1.5cm）2 = 2.25 cm2,7,每片晶圆的芯片数 = - = 270, （30 /2）2 2.25, 30 2.12,类似的，直径30cm晶圆上边长为1 cm的芯片数为： 640,例：设单位面积残次密度为0.4/cm2 ，且 =4.0，分别求边长1.5cm和1.0cm芯片的成品率。,8,芯片成品率 = （ 1 + ）

4、,单位面积的缺陷数 芯片面积 ,-,答：,1.5cm芯片成品率 =（ 1 + ） = 0.44,0.4 2.25 4.0,-4,1.0cm芯片成品率 =（ 1 + ） = 0.68,0.4 1.00 4.0,-4,结论2：芯片面积大成品率更低 芯片成本上升 直径30cm晶圆有270 0.44=120个面积2.25cm2芯片， 或者有640 0.68=435个面积1cm2芯片。,2010年，设30cm晶圆成本是5500美元， 1个1.00cm2的芯片成本-13美元 1个2.25cm2的芯片成本-51美元 推论：芯片面积增加到2倍，则成本增加到约4倍。 芯片成本对于计算机设计者，能够控制的是 芯片

5、面积： 功能特性和I/O管脚数目,9,10,成本与价格 器件成本 直接成本：直接影响产品的成本. 人力成本, 废料 (the leftover from yield), 和保修期内的保修费等 直接成本在器件成本上增加20%40%. 毛利润（间接成本） 企业一般管理费直接分摊到一个产品中. 研发(R&D)，制造设备，市场销售 ，维护, 租场地, 经济成本, 税收等. 研发费用一般占收入的4%12%,仓库级计算机制造成本与运行成本,制造成本 5000服务器、配电冷却设施、网络设备总成本：1.675亿美元 运行成本 8 000 000瓦 月电费与守卫人工费：560 000美元,11,12,第1章 计

6、算机设计基础,1.1 引言 1.2 计算机的分类 1.3 计算机系统结构定义和计算机的设计任务 1.4 实现技术的趋势 1.5 集成电路功耗的趋势 1.6 成本的趋势 1.7 可靠性 1.8 测量、报告和总结计算机性能 1.9 计算机设计的量化原则 1.10 综合：性能和性价比,1.7 可靠性-Dependability,可靠性：广义上包括可靠性、安全性和可用性 （Dependability is a deliberately broad term to encompass many facets including reliability, security and availability

7、.）,计算机系统的可靠性：用于表示系统提供给用户服务的质量，这里“可靠性（ Dependability ）”可用“信任（reliance）”代替。 例如：一个笔记本电脑能用多久才出现故障？,13,14,可靠性的量化,模块可靠性：从模块可用到出现故障的持续服务度量 MTTF（mean time to failure）: 平均无故障时间 MTTR（mean time to repair）: 平均修复时间 FIT （故障率）：1/MTTF MTBF: 平均故障间隔时间= MTTF+MTTR 模块可用性 MTTF = MTTF MTTF + MTTR MTBF,例题 设一个磁盘子系统有如下组件和MTT

8、F:,10个磁盘，每一个的MTTF是1 000 000小时 1个SCSI控制器，500 000小时的MTTF 1个电源，200 000小时的MTTF 1个风扇，200 000小时的MTTF 1条SCSI电缆，1 000 000小时的MTTF 假设生存周期是按指数分布的，并且故障具有独立性，计算整个系统的MTTF。,系统故障率 = 10 + + + +,1,解：,1 000 000,1,500 000,1,1 000 000,1,200 000,1,200 000,=,23,1 000 000,系统的MTTF = = = 43 500小时（接近5年）,1,系统故障率,1 000 000,23,1

9、5,提高可靠性的方法,冗余（Redundancy）: 时间冗余: 重复操作直到无错 资源冗余: 配置另外的相同部件，有错时用于替代出错部件,16,17,第1章 计算机设计基础,1.1 引言 1.2 计算机的分类 1.3 计算机系统结构定义和计算机的设计任务 1.4 实现技术的趋势 1.5 集成电路功耗的趋势 1.6 成本的趋势 1.7 可靠性 1.8 测量、报告和总结计算机性能 1.9 计算机设计的量化原则 1.10 综合：性能和性价比,18,定义性能：性能对不同的人意味着不同的事情，因此评价性能是很微妙的。 用户和设计者对性能的感觉是不同的。,Sorry, Lady is first !,1

10、.8 测量、报告和总结计算机性能,19,测量性能与评价性能,比较机器性能的指标 执行时间(响应时间，时延)：桌面机 吞吐量：网络服务器 MIPS - millions of instructions per second 用程序集比较机器性能 选择适当的程序评估性能 基准测试程序套件（Benchmark Suites） 不同平均值（Different Means）: 执行时间算术、调和、几何平均值 （Arithmetic, Harmonic, and Geometric Means）,20,性能指标响应时间,墙钟时间 程序开始执行到结束看钟知道的时间，就是墙钟时间，也称为响应时间或消逝时间 测

11、量用户感觉到的系统速度 墙钟时间的问题 如果一个机器上运行多个程序 ？ 如果程序运行时需要用户输入？,21,性能指标-CPU 时间,测量CPU时间更具可计算性 (not waiting for I/O) 测量设计者感觉到的CPU速度 CPU时间进一步分为： 用户CPU时间- 花费在用户模式的时间 系统CPU时间- 花费在OS的时间 Unix时间命令报告CPU时间： 90.7u 12.9s 2:39 65% 90.7 user CPU seconds (in the users program) 12.9 system CPU seconds (in the system calls e.g.

12、printf) 2 minutes, 39 seconds wall-clock time 65% of the wall clock time was spent running on the CPU,22,性能指标-吞吐量,单位时间内完成的工作总量-吞吐量 测量管理员感觉到的系统性能 常用吞吐量测量 每秒钟处理的事务数量，如每分钟服务的网页数量 吞吐量对应的时延指标 等待事务处理完成的的时间量 处理器性能一般仅使用时延指标：程序A比程序B快10倍 对于很多服务器应用，吞吐量比时延更重要：金融市场, 政府统计（人口普查）,23,响应时间与吞吐量,通常改善了响应时间也会改善吞吐量 处理器用更快

13、的型号替换 只改善吞吐量而不改善响应时间 在一个系统中增加额外的处理器,24,另一个工业性能指标: MIPS,MIPS - Millions of Instructions per Second 用相同的指令集比较两台机器 (A, B), MIPS一般是公平的 MIPS可能是一个“无意义的性能指标”,25,例子: MIPS 或许是无意义的,机器A有一条计算平方根的特殊指令，它执行需要100个时钟周期（设每个时钟周期1us） 机器B 没有这种指令 -它计算平方根用软件方式即用加、乘、移位简单指令（一般执行需要1个时钟周期，设时钟周期1us）编程实现 机器 A: 1/100*106条指令/s =

14、0.01 MIPS 机器 B: 1*106条指令/s = 1 MIPS,26,响应 (执行) 时间 用户的感觉 系统性能 仅有的各方都认可的性能测量指标 CPU 时间 设计者的感觉 CPU 性能 吞吐量 管理员感觉 MIPS 商人的感觉,性能指标总结,27,选择程序评估机器性能,理想的性能评估： 运行随机取样的用户的程序和OS命令 不同类型的基准测试程序（benchmarks）,28,28,不同类型的基准测试程序（benchmarks） 核心测试程序：从实际的程序中抽取少量较短的关键程序框架代码构成，这些代码的执行直接影响程序总的执行时间。如Livermore Loops和Linpack。 小

15、测试程序：代码在10100行，具有特定目的测试程序。如Sieve of Erastosthenes, Puzzle和Quieksort。 综合测试程序：对一大套应用程序中的操作和操作数的执行频率进行统计，得到平均执行频率，再按这个频率编制的模拟测试程序。如Whetstone和Dhrystone。 基准测试程序集：选择一组有代表性的不同类型应用程序，集中起来构成基准测试程序集，以有效评测计算机处理各种应用的性能。这种测试程序集合也称为测试程序组件（benchmark suites）。如SPEC，TPC。,29,注意：基准测试程序的局限,基准测试程序可以针对一个系统的某些方面 floating point & integer 运算, memory system, I/O, OS 硬件和编译器的供应商或许会仅仅对一些程序优化他们的设计。机器可能对某些应用性能好，而对其他应用性能差。 编译利用结构的特点可以提高性能。应用程序特定的编译器优化已普遍采用。 最好的基准测试程序就是实际应用程序，因为它们反应了终端用户的需要。,30,SPEC实用基准测试程序集,SPEC - The System Pe