第3章-性能指标和基准程序-第1节-系统和应用的基准程序-并行处理与体系结构教学课件.ppt

并行处理与体系结构并行处理与体系结构1第第3 3章章 性能指标和基准程序性能指标和基准程序n 1 1 系统和应用的基准程序系统和应用的基准程序n 2 2 性能和成本性能和成本n 3 3 基本性能指标基本性能指标n 4 4 并行计算机性能并行计算机性能n 5 5 并行程序性能并行程序性能n 6 6 可扩展性和加速比分析可扩展性和加速比分析2哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院1.1.如何描述应用和系统的性能特征如何描述应用和系统的性能特征?2.2.什么是用户对性能和成本要求什么是用户对性能和成本要求?3.3.如何测量应用程序的性能如何测量应用程序的性能?使用何种使用何种类型的性能指标类型的性能指标?4.4.当在并行计算机上执行并行程序时，当在并行计算机上执行并行程序时，如何描述系统性能的特征如何描述系统性能的特征?5.5.影响性能的参数有哪些影响性能的参数有哪些?典型的参数典型的参数值为多少值为多少?6.6.如何量化和分析系统可扩展性如何量化和分析系统可扩展性?7.7.如何确定执行给定应用问题的并行机如何确定执行给定应用问题的并行机的可扩展性的可扩展性?3哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院n一、前言一、前言 n基准程序是性能测试程序，并假设它基准程序是性能测试程序，并假设它能刻划某一类应用问题的处理和数据能刻划某一类应用问题的处理和数据移动的特征。移动的特征。n基准程序用来测量和预测计算机系统基准程序用来测量和预测计算机系统的性能，并能提示它们的体系结构的的性能，并能提示它们的体系结构的弱点和优点。弱点和优点。1 1 系统和应用的基准程序系统和应用的基准程序4哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院6哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院n二、微基准程序二、微基准程序 n包括：包括：3 3个微基准程序组。个微基准程序组。n1.LINPACK 1.LINPACK nLINPACKLINPACK基准程序由田纳西大学的基准程序由田纳西大学的Jack Dongarra Jack Dongarra 创作并加以维护。创作并加以维护。nLINPACKLINPACK简单实用，它定期公布有关简单实用，它定期公布有关各种系统的各种系统的LINPACKLINPACK性能数值表。性能数值表。q包括包括Top 500Top 500表，它列出了世界上功能最表，它列出了世界上功能最强的强的500500台计算机。台计算机。7哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院Return8哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院属属 性性Intel Intel AlderAlderSun UltraSun UltraIBM 990IBM 990带宽带宽(MB(MBs)s)存储器复制存储器复制读文件读文件管道管道TCPTCP5252525238382020858585856161515124224218718784841010时延时延(s)(s)读存储器读存储器创建文件创建文件管道管道TCPTCP0 0282823809238091011013053050 027271818，18118162621621620 0262613,33313,3339191332332系统开销系统开销(s)(s)无系统调用无系统调用创建进程创建进程现场切换现场切换7 74500450036365 53700370014141616120012001313 由由LMBENCHLMBENCH测得的带宽、时延和系统开销测得的带宽、时延和系统开销 10哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院n3.STREAM3.STREAMn是一个简单的合成基准程序；是一个简单的合成基准程序；n由由SGlSGl的的JohnMcCalpinJohnMcCalpin提出。提出。q测量持续的存储器带宽测量持续的存储器带宽(以以MBMBs s为为单位单位)和相应的计算速率。和相应的计算速率。q下表中的向量下表中的向量a a、b b和和c c均是有均是有二百二百万个元素万个元素的数组，其中每个元素是的数组，其中每个元素是一个一个8 8字节的字。字节的字。11哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院nMcCalpinMcCalpin提出一个机器平衡指标，由提出一个机器平衡指标，由下式定义：下式定义：13哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院15哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院n三、并行计算的基准程序三、并行计算的基准程序n测试分布共享存储器机器测试分布共享存储器机器n数值计算基准程序数值计算基准程序q斯坦福大学开发的斯坦福大学开发的SplashSplash和和Splash-2Splash-2；n并行化编译程序系统和技术：并行化编译程序系统和技术：q伊利诺斯大学开发的伊利诺斯大学开发的PerfectPerfect基准程序基准程序 n常用的常用的3 3个并行基准程序组：个并行基准程序组：qNPBNPB、PARKBENCHPARKBENCH和和STAPSTAP，它们代表了科，它们代表了科学计算中的主要应用组。学计算中的主要应用组。16哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院nNPBNPB组由组由5 5个核心个核心(EP(EP、MGMG、CGCG、FTFT和和IS)IS)和和3 3个模拟应用个模拟应用(LU(LU、SPSP和和BT)BT)程序组成。程序组成。nEP(Embarrassingly EP(Embarrassingly Parallel)Parallel)基准程序；基准程序；q能运行在任意个数的处理器而只需能运行在任意个数的处理器而只需很少通信。它能估计并行计算机可达很少通信。它能估计并行计算机可达到的浮点性能的上限。到的浮点性能的上限。18哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院nMG(MultiGridmethodMG(MultiGridmethod，多栅格方法，多栅格方法)基基准程序准程序q求解二维标量泊松求解二维标量泊松(Poisson)(Poisson)方程。要完方程。要完成具有高度结构化的短距离和远程通信。成具有高度结构化的短距离和远程通信。nCG(Conjugate Gradient methodCG(Conjugate Gradient method，共，共轭梯度方法轭梯度方法)基准程序基准程序q计算对称正定矩阵的最小本征值。它的计算对称正定矩阵的最小本征值。它的特点是进行非结构栅格计算，需要不规则特点是进行非结构栅格计算，需要不规则的远程通信。的远程通信。19哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院n FTFT基准程序基准程序q使用基于使用基于FFTFFT的光谱方法求解三维的光谱方法求解三维偏微分方程，也需要远程通信。偏微分方程，也需要远程通信。nIS(IS(整数排序，整数排序，Integer Sorting)Integer Sorting)基准程序基准程序q基于桶型排序的并行排序程序。它基于桶型排序的并行排序程序。它需要很多全体交换通信。需要很多全体交换通信。20哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院n三种模拟应用三种模拟应用n三者通信不同三者通信不同nBT(BlockTri-diagonalBT(BlockTri-diagonal，块三对角，块三对角)nLU(block lower triangularLU(block lower triangular，块下，块下三角，三角，block uppertriangularblock uppertriangular，块，块上三角上三角)；nSP(ScalarPenta-diagonalSP(ScalarPenta-diagonal，标量五，标量五对角对角)基准程序基准程序21哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院n2.PARKBENCH nPARKBENCH(PARKBENCH(并行核心和基准程序并行核心和基准程序)委员委员会会q在在19921992年超级计算会议上由一些对并行计年超级计算会议上由一些对并行计算机基准程序测试感兴趣的人们创立的。算机基准程序测试感兴趣的人们创立的。该组织的一个贡献是建立了一致的性能指该组织的一个贡献是建立了一致的性能指标和记号集。标和记号集。n目前的基准程序用于分布存储多计算目前的基准程序用于分布存储多计算机机q用用Fortran 77Fortran 77编码，并用编码，并用PVMPVM或或MPIMPI做消息做消息传递。正在开发基准程序的传递。正在开发基准程序的Fortran 90Fortran 90和和HPFHPF版本以及适用于共享存储体系结构的版本以及适用于共享存储体系结构的基准程序。基准程序。22哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院n3.3.并行并行STAPSTAP组组 n空一时自适应处理空一时自适应处理(Space-Time Adaptive(Space-Time Adaptive Processing)Processing)基准程序组是一套实时雷达基准程序组是一套实时雷达信号处理基准程序。信号处理基准程序。n最初由最初由MITMIT的林肯实验室的林肯实验室(Lincoln(Lincoln Laboratory)Laboratory)开发。开发。MITMIT的顺序的顺序STAPSTAP近来已近来已在南加州大学被转换成并行在南加州大学被转换成并行STAPSTAP，用来评，用来评估各种估各种MPPMPP。nSTAPSTAP基准程序是密集计算，要求在不到基准程序是密集计算，要求在不到1 1秒时间内对秒时间内对O(10O(102 2-10-104 4)MB)MB数据完成数据完成O(10O(101010-10101414)浮点操作。浮点操作。24哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院nSTAPSTAP基准程序组由基准程序组由5 5个程序组成：个程序组成：qAdaptiveProcessingTestbed(APTAdaptiveProcessingTestbed(APT，自适，自适应处理试验台应处理试验台)qHigh-Order PostDoppler(HOPDHigh-Order PostDoppler(HOPD，高，高阶后多普勒阶后多普勒)qBeam Space PRI-Staggered Beam Space PRI-Staggered PostDoppler(BMStag)PostDoppler(BMStag)qElement Space PRI-Staggered Post Element Space PRI-Staggered Post Doppler(ELStag)Doppler(ELStag)qGeneral(GEN)General(GEN)25哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院nGeneral(GEN)General(GEN)nGENGEN程序由程序由4 4个独立分程序组成：个独立分程序组成：q分别完成排序分别完成排序(SORT)(SORT)q快速傅里叶变换快速傅里叶变换(FFT)(FFT)q向量乘向量乘(VEC)(VEC)以及线性代数以及线性代数(LA)(LA)n它们代表了在雷达信号处理应用中经它们代表了在雷达信号处理应用中经常使用的核心子程序常使用的核心子程序26哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院nAPTAPT、HO-PDHO-PD、BMBM、ELEL等等4 4个基准程个基准程序的结构说明：序的结构说明：全以全以Doppler Doppler Processing(DPProcessing(DP，多，多普勒处理普勒处理)步开始。步开始。APTAPT完成完成Householder Householder Transform(HTTransform(HT，普通转换，普通转换)；它在以后的它在以后的beamforming(BFbeamforming(BF，射，射束形成束形成)步：步：q以抑制人为干扰台和杂乱回波；以抑制人为干扰台和杂乱回波；28哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院q而在而在HOPDHOPD程序中，两个自适应射束形程序中，两个自适应射束形成步被合成为一步。成步被合成为一步。BMStagBMStag程序和程序和ELStagELStag程序与程序与HOPDHOPD类似，但各自在类似，但各自在射束空间和元空间中使用交叉干扰训练射束空间和元空间中使用交叉干扰训练算法。算法。以以target target detection(TDdetection(TD，目标探测，目标探测)步结束。步结束。29哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院nTPCTPC已发布了已发布了4 4个基准程序。根据个基准程序。根据19951995年年6 6月资料，月资料，TPC-ATPC-A和和TPC-BTPC-B已被废弃。已被废弃。nTPC-CTPC-C是数据记载基准程序，测量事务是数据记载基准程序，测量事务处理系统的性能和价格性能比。处理系统的性能和价格性能比。nTPC-DTPC-D则测量决策支持系统。则测量决策支持系统。nTPCTPC正开发正开发TPC-E(EnterpriseTPC-E(Enterprise，企业，企业)的新基准程序，以量化支持适合于大的新基准程序，以量化支持适合于大型商业企业计算环境的特定系统的能型商业企业计算环境的特定系统的能力。力。31哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院nTPC-CTPC-C是一个在线事务处理是一个在线事务处理(OLTP)(OLTP)基准基准程序，用得最广。程序，用得最广。q它模拟一个完整的大规模公司环境，它模拟一个完整的大规模公司环境，其中终端操作员对数据库执行事务操其中终端操作员对数据库执行事务操作。公司管理作。公司管理N N个仓库，每个仓库供个仓库，每个仓库供应应1010个销售区，每个区为个销售区，每个区为30003000名顾客名顾客服务。每个仓库有服务。每个仓库有1010个终端，每个区个终端，每个区有一个。有一个。q在任何时间，一个操作员可执行表中在任何时间，一个操作员可执行表中的处理的处理32哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院33哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院n被测系统必须具有被测系统必须具有ACIDACID性质性质q原子性原子性(atomicity)(atomicity)；q一致性一致性(consistency)(consistency)；q隔离性隔离性(isolation)(isolation)；q持久性持久性(durability)(durability)。34哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院n五、五、SPECSPEC基准程序系列基准程序系列 nSPECSPEC基准程序系列是由名为基准程序系列是由名为nStandardPerformanceEvaluationCorStandardPerformanceEvaluationCorporationporation非盈利公司所开发的。非盈利公司所开发的。nSPECSPEC以测量以测量CPUCPU性能的基准程序作为性能的基准程序作为出发点，但已向客户机服务器计算出发点，但已向客户机服务器计算I IO O子系统等方面扩展。子系统等方面扩展。35哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院n目前目前SPECSPEC已公布如下的基准程序组：已公布如下的基准程序组：nSPEC95 SPEC95 q测量测量CPUCPU、存储器系统和编译器代码生、存储器系统和编译器代码生成性能。成性能。qSPEC 95CPUSPEC 95CPU基准程序从整体上测试基准程序从整体上测试CPUCPU速度、高速缓存存储器系统以及编译速度、高速缓存存储器系统以及编译器。它不计操作系统和器。它不计操作系统和I I0 0操作时间。操作时间。qSPEC 95SPEC 95由由CINT 95(8CINT 95(8个整数程序个整数程序)和和CFP95(10CFP95(10个浮点程序个浮点程序)组成，两者均是组成，两者均是CPUCPU密集应用。密集应用。36哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院nSPEChpc 96 SPEChpc 96 q测量运行工业型应用程序的高性能测量运行工业型应用程序的高性能计算系统的性能。计算系统的性能。nSPEC web 96SPEC web 96nSFS SFS q为系统级文件服务器基准程序。为系统级文件服务器基准程序。37哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院nSDM SDM q为系统开发多任务基准程序，测量为系统开发多任务基准程序，测量一个系统如何处理一个有大量用户一个系统如何处理一个有大量用户发出典型的发出典型的UnixUnix软件开发命令软件开发命令(如如makemake、cpcp、grepgrep及及spellspell等等)的环境。的环境。nGPC GPC q图形性能特征描述基准程序，测量图形性能特征描述基准程序，测量图形学性能。图形学性能。38哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院n下表给出了下表给出了Digital Alpha Digital Alpha Station 500Station 500500500的的SPEC95SPEC95结果结果q该工作站使用该工作站使用500MHz Alpha 21164500MHz Alpha 21164微处理器，微处理器，8MB8MB高速缓存以及高速缓存以及128MB128MB主存。主存。q指定系统的所有指定系统的所有SPEC95SPEC95结果，均表结果，均表示成与参照机示成与参照机SUN SPARCSUN SPARC工作站工作站10104040性能比较的比例。性能比较的比例。39哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院指标指标速速 度度吞吞 吐吐 率率9595_base95_base95 _rate95_rate95 _rate base95_rate base95SPECintSPECint151512.612.6135135113113SPECfpSPECfp 20.420.418.318.3183183165165Alpha Station Alpha Station 的的SPEC95SPEC95性能性能40哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院n总结：总结：n探讨了几种常用的测试程序；探讨了几种常用的测试程序；41哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院