Pokročilé architektury počítačů

Garant předmětu:

Přednášející:

Cvičící:

Předmět zajišťuje:

katedra počítačů

Anotace:

Předmět rozšiřuje znalosti studentů v oblasti architektury moderních počítačů. Pozornost věnujeme zejména problematice paralelismu, implementaci koncepce paralelismu v hardwaru, vytváření paralelního programu, architektuře soudobých počítačů využívajících paralelismu na úrovni instrukcí a vláken, pokročilému proudovému zpracování instrukce, paměťovému a perifernímu subsystému a jejich návrhu.

Výsledek studentské ankety předmětu je zde: http://www.fel.cvut.cz/anketa/aktualni/courses/AD4M36PAP

Výsledek studentské ankety předmětu je zde: http://www.fel.cvut.cz/anketa/aktualni/courses/A4M36PAP

Požadavky:

Stránky předmětu: https://edux.feld.cvut.cz/courses/A4M36PAP/

Osnova přednášek:

1. Úvodní přednáška

Úvod do moderní architektury počítačů; počítače řízené tokem instrukcí (control driven) a tokem údajů (data driven a demand driven). Klasifikace počítačových architektur podle Flynna; Vícejádrové, víceprocesorové a vícepočítačové systémy, pojem paralelního zpracování. Amdahlův a Gustafsonův zákon. Výkonové metriky.

2. Přednáška - Paralelismus a programování paralelních systémů I

Paralelismus na úrovni instrukcí, vláken, programů a dat. Časový a prostorový paralelismus. Bernsteinovy podmínky paralelismu, datová a řídicí závislost. Úvod do programování paralelních systémů. Rozvrhování programů (statické, dynamické) a meziprocesová/meziprocesorová komunikace a synchronizace. Výpočtová granularita a zrnové balení. Mapování procesů a dat.

3. Přednáška - Programování paralelních systémů II

Způsoby programování paralelních systémů - použití Message Passing Interface (MPI) a Open Multi-Processing (OpenMP) pro tvorbu paralelních programů.

4. Přednáška - Programování paralelních systémů III

Využití grafických karet pro paralelní programy - GPU (Graphics processing unit) a GPGPU (General-purpose computing on GPU).

5. Přednáška - Skalární procesor

Cesta instrukce a dat z vedlejší paměti až k procesoru z pohledu hierarchie pamětí, operačního systému a procesoru.

6. Přednáška - Predikce, prediktory a předvýběr instrukcí

Statické a dynamické predikce; Smithův prediktor, dvou-úrovňové prediktory s lokální a globální historií , dvou-módový prediktor, loop-counting prediktory a další.

7. Přednáška - Od skalárního procesoru k superskalárnímu (pokročilé techniky instrukčního toku)

Superskalární procesory se statickým, dynamickým a hybridním plánováním vykonávaní instrukcí.

8. Přednáška - Spelukace

Spekulativní provádění instrukcí a podpora přesného přerušení. Procesory VLIW a EPIC. Využití datového paralelismu, SIMD a vektorové instrukce v ISA.

9. Přednáška - Multiprocesorové systémy a problém koherence

Architektury multiprocesorových počítačů. Systémy s distribuovanou a sdílenou pamětí (DMS, SMS). Architektury symetrických multiprocesorových počítačů (SMP). Způsoby zajištění koherence v SMP. Pravidla pro provádění paměťových operací, zajištění sekvenční konzistence, slabší modely paměťové konzistence, directories.

10. Přednáška - Časový a prostorový paralelizmus v praxi

Ukázka vybraných partií na procesoru Intel Nehalem.

11. Přednáška - Superpočítače dnešní doby

Masívně paralelní procesory (MPP) a clustery, Superpočítače na báze GPU; Propojovací sítě - statické a dynamické.

12. Přednáška

Architektura I/O podsystému. Aktuální sběrnice. Způsoby propojení procesoru, paměti a periférií uvnitř systémů na čipu (SoC). Vyrovnávací paměti v I/O podsystému, způsoby implementace sdíleného přístupu.

13. Přednáška

Realizace moderního IO podsystému (NUMA architektury), HyperTransport, Quick path interconnect

14. Přednáška

Perspektivy a omezení dalšího rozvoje, rezerva

Osnova cvičení:

I. část - Verilog a popis hardwaru počítače

1.Úvod do jazyka Verilog - zopakovaní, seznámení s prostředím Xilinx ISE, popis kombinačního obvodu a jeho simulace;

2.Základní stavební bloky počítače (multiplexor, demultiplexor, dekodér, komparátor, sčítačka, registr, paměť,...), synchronní konečný automat; popis ve Verilog-u;

3.Návrh jednoduché řídicí jednotky procesoru.

4.Návrh paralelní dvojkové 64-bitové sčítačky se zrychlenými přenosy a předvídáním (Carry Look-Ahead). Zadání prvního seminárního projektu - Návrh jednoduchého výpočtového systému - ALU, RJ, paměť; simulace základního instrukčního cyklu (odevzdání v 8. týdnu).

II. část - Programovaní paralelných systémů

5.Praktické seznámení s OpenMP, jednoduché paralelní programy pro SMS.

6.Praktické seznámení s MPI, jednoduché paralelní programy pro DMS.

7.Procvičování technik vytváření paralelních programů kombinací OpenMP a MPI pro vícepočítačové systémy s vícevláknovým vykonáváním v každém uzlu. Zadání druhého seminárního projektu - tvorba paralelního programu pro vybraný problém (odevzdání v 9. týdnu).

III. část - Samostatná práce a prezentace výsledků seminárních projektů

8.Kontrola prvního seminárního projektu. Zadání třetího seminárního projektu - rešerše na téma paralelismus v současných počítačích (odevzdání v 12. a 13. týdnu formou prezentace).

9.Samostatná práce; Průběžná kontrola třetího seminárního projektu.

10.Kontrola druhého seminárního projektu - krátká prezentace zvoleného postupu řešení a vytvořeného programu; Průběžná kontrola třetího seminárního projektu.

11.Samostatná práce.

12.Prezentace a odevzdání třetího seminárního projektu.

13.Dokončení prezentací a odevzdávaní třetího seminárního projektu.

Cíle studia:

Studijní materiály:

[1]Hennesy, J. L., Patterson, D. A.: Computer Architecture : A Quantitative Approach, Third Edition, San Francisco, Morgan Kaufmann Publishers, Inc., 2002

[2]Shen, J.P., Lipasti, M.H.: Modern Processor Design : Fundamentals of Superscalar Processors, First Edition, New York, McGraw-Hill Inc., 2004

[3]Grama A., Gupta, A. et al.: Introduction to Parallel Computing, Second Edition, Addison Wesley, 2003

Poznámka:

Rozsah výuky v kombinované formě studia: 14p+6c,

Další informace:

https://edux.feld.cvut.cz/courses/A4M36PAP/

Pro tento předmět se rozvrh nepřipravuje

Předmět je součástí následujících studijních plánů: