コンピュータの主役はCPU(Central Processing Unit)

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1 コンピュータの主役はCPU(Central Processing Unit)
コンピュータの構成要素 コンピュ−タ 制御 入力 装置 装置 記憶 装置 演算 装置 出力 装置 プロセッサ CPU

2 コンピュ−タの世代 世代　期間 中核テクノロジ 主な新製品 １ 真空管 　　商用電子計算機 トランジスタ 　　事務・技術計算機から汎用機へ 集積回路（IC） 　　ミニコンピュ−タ ? LSIおよびVLSI 　　パソコンとワ−クステ−ション ５ 199?-20?? マイクロプロセッサ　個人用携帯端末と並列プロセサ

3 1951 UNIVAC I（商用コンピュ−タとして最初に成功） 1000 124,500 1,900 48 $1,000,000 1
年 機種 サイズ 　消費電力 性能 メモリ 　時価 　価格性能比 立方feet 　　ワット 加算/秒 Kバイト 1 feet = 30 cm 1951 UNIVAC I（商用コンピュ−タとして最初に成功） 1000 　124,500 1,900 　 48 $1,000,000　　1 1964 IBM S360/50（コンピュ−タ・ファミリ，大型コンピュ−タ市場支配） 60 　10, ,000 　 64 $1,000,000　　263 1965 PDP-8（最初の商用ミニコンピュ−タ） 8 　 ,000 　 4 $16,000 　　10,855 1976 Cray-1（ス−パ−コンピュ−タ） 58 　60, ,000,000 32,768 $4,000,000　21,842 1981 IBM PC（パソコンのベストセラ−） 1 　 , $3,000 　　42,105 1991 HP 9000/750（ワークステーション） 2 　 ,000,000 16,384 $7,400 　3,556,188 1996 Intel PPro PC (200MHz) 2 　 ,000,000 16,384 $4,400 　47,846,890 2003 Intel Pentium 4 PC (3.0GHz) 2 　500 6,000,000, ,144 $1,600 11,452,000,000

4 millions of computers D.A.Patterson and J.L.Hennessy: Computer Organization and Design The Hardware/Software Interface, 3rd edition, Morgan Kaufmann, 2005

5 millions of processors
D.A.Patterson and J.L.Hennessy: Computer Organization and Design The Hardware/Software Interface, 3rd edition, Morgan Kaufmann, 2005

6 コンピュータの性能の定義 クロック（clock） コンピュ−タは一定の速度で時を刻むクロックに基づいて動作する
クロック・サイクル時間（clock cycle time） 単位：秒/サイクル クロックの時間間隔，クロック周期ともいう．たとえば10ns １間隔＝１サイクル クロック周波数（clock rate）　単位：サイクル/秒 (Hz) クロック・サイクル時間の逆数．たとえば100MHz 　　　たとえば、クロック・サイクル時間が１μ秒なら 　　　　　　　　クロック周波数は１MHz 数の単位 peta tera giga mega kilo 10-15 femto pico 10-9 nano 10-6 micro 10-3 milli

7 例：クロック周波数が100MHzのマシン上で10秒で実行できるプログラム のクロックサイクル数は
あるプログラムの CPU実行時間 そのプログラムの クロック・サイクル数 ＝ ×　クロック・サイクル時間 そのプログラムのクロック・サイクル数 ＝ クロック周波数 例：クロック周波数が100MHzのマシン上で10秒で実行できるプログラム 　　のクロックサイクル数は 　　　CPU時間×クロック周波数 = 10秒×100×106サイクル／秒 = 1000×106サイクル 命令あたりの平均クロック・サイクル数（Clock Cycles Per Instruction: CPI） 実行したプログラムのクロック・サイクル数 ＝ そのプログラムで実行した命令数 CPU時間 = 実行命令数×CPI×クロック・サイクル時間 例：クロック・サイクル時間が10ns（ナノ秒），CPIが2.0の場合， 　　100,000命令実行するのに要する時間は 100000命令×2.0サイクル／命令×10×10-9秒／サイクル= 2.0×10-3秒= 2.0ミリ秒

8 クロック・周波数が100MHzのマシン上で10秒で実行できるプログラムがある． このプログラムの実行に要するクロック・サイクル数はいくつか．
問1： クロック・周波数が100MHzのマシン上で10秒で実行できるプログラムがある． このプログラムの実行に要するクロック・サイクル数はいくつか． このプログラムを6秒で実行できるマシンを開発したい． クロック周波数を上げると，その影響が別の面にでて，そのプログラムでは 1.2倍のクロック・サイクル数が必要になるという． クロック周波数をどこまで上げればよいか． 問2： 同じ命令セットア−キテクチャを実現した２種類のマシンがある（機械語は同じ）． マシンAはクロック・サイクル時間が10nsで，あるプログラムでのCPIが2.0であり， マシンBはクロック・サイクル時間が20nsで，同じプログラムでのCPIが1.2である とする．このプログラムでは，どちらがどのくらい速いか． 問3： あるマシンには３種類の命令のクラスA，B，Cがあり， それぞれの命令クラスのCPIは１，２，３である． あるコンパイラ設計者が，ある文に対してコンパイラが生成するコ−ド系列を２通り検討している．１つは，A，B，Cの各クラスの命令が２，１，２回実行されるものであり，もう１つは４，１，１回実行されるものである． どちらのコ−ド系列の方が実行される命令数が多いか．実行速度はどちらが速いか． それぞれのCPIはいくつか． (1)サイクル数＝10秒*(100*10^6サイクル/秒)=10^9サイクル, 6秒*(xサイクル/秒)=10^9*1.2サイクル: x= 10^9*0.2=200*10^6 (2)実行時間＝サイクル数＊クロックサイクル時間＝実行命令数＊CPI＊クロックサイクル時間、 Ａ：実行命令数＊2.0*10ns＝実行命令数＊20ns、Ｂ：実行命令数＊1.2*20ns＝実行命令数＊24ns、A:B = 10 : 12 (3)2+1+1=5, 4+1+1=6で前者の方が命令数が少ない。 2*1+1*2+2*3=10cycles, 4*1+1*2+1*3=9cycles, で後者の方が速い。 CPI: 10/5=2, 9/6=1.5

9 クロック・周波数が5GHzのマシン上であるプログラムを実行したところ
問4： クロック・周波数が3GHzのマシン上で2秒で実行できるプログラムがある． このプログラムの実行に要するクロック・サイクル数はいくつか． このプログラムで5*109の命令が実行されたとしてCPIを求めよ。 問5： クロック・周波数が5GHzのマシン上であるプログラムを実行したところ 7.5*109の命令が実行され、CPIは0.8であった。 このマシンのクロックサイクル時間と、このプログラムの実行にかかったCPU時間を求めよ。 問6： あるマシンで、Javaで書かれたあるプログラムが15秒で実行された。 新しいJavaコンパイラがリリースされて、古いコンパイラが生成する命令の0.6倍の命令ですむようになった。ただし、CPIは1.1倍になってしまった。 このJavaプログラムは、新しいコンパイラを使えば何秒で実行されるか。 （ヒント：変数をいくつか使う。たとえば、命令数をx、サイクル数をyなど）

10 性能尺度 以前に利用された性能尺度 MIPS (Million Instruction Per Second) = = = =
実行命令数 = 実行時間×106 実行命令数 = クロック・サイクル数×クロック・サイクル時間×106 実行命令数×クロック周波数 クロック周波数 = = 実行命令数×CPI×106 CPI×106 注意：CPIは実行されるプログラムによって，またコンパイラによって 　　　も異なるから，あるマシンのMIPSを正確に求めることは不可能 　　　メ−カの発表するMIPSは最小のCPIを仮定したピ−クMIPS ベンチマークによる性能比較 実際のプログラムによる性能比較 SPEC CPU2000

11 MFLOPS（million floating-point operations per second: Mega FLOPS）
実行した浮動小数点演算の個数 = 実行時間×106 GFLOPS (Giga FLOPS) TFLOPS (Tera FLOPS) 注意：MFLOPS値はプログラムに強く依存するが，MIPSほどマシンには 　　　依存しない．メ−カの発表するMFLOPS値は浮動小数点演算だけ 　　　を都合よく実行したときの（ピ−ク性能）値． TOP500 ここでは、LINPACKベンチマ−ク（線形計算のプログラム）で 世界中の高速マシンの順位付けが行われている． 筑波大のCP-PACS（2048台の超並列マシン）は368GFLOPS （ピ−ク性能614GFLOPS）で1996年に１位、1998年６位、2003年314位 2003年の1位は日本の地球シミュレータ(スパコン5000台の超並列機)で35.86TFLOPS 2005年の1位はIBM BlueGene/L（6万5千台の超並列機）で136.8TFLOPS 地球シミュレータは4位 2007年の1位はIBM BlueGene/L(13万台)で280.6TFLOPS, 日本の最高は14位（東工大）で48.9TFLOPS, 地球シミュレータは20位

12 コンピュータのアーキテクチャ 最初は単純（なアーキテクチャ）であったが複雑になってきた。 　　　　　CISC (Complex Instruction Set Computer) それを思い切り単純化して、ワンチップCPUが作られた。 　　　　　RISC (Reduced Instruction Set Computer) RISC もその後、機能を拡張して複雑化しているが、以下のような 特徴がある。 CISC：　メインフレーム、インテルX86系 　　　命令語長可変、演算はレジスタ間とメモリー、レジスタ少数 RISC：　MIPS, PPC, SH4, ARM 　　　命令語長固定、メモリーアクセスはLOAD/STOREのみ、 　　　レジスタ多数、演算はレジスタ間のみ 　　　パイプライン制御が容易