Μελέτη Και Κατασκευή Μετροπρογραμμάτων Για Την Αξιολόγηση Της Επίδοσης Υβριδικού Πολυπύρηνου Επεξεργαστή Ειδικής Χρήσεως

Abstract

Η πρώτη γενιά της Cell Broadband Engine (CBE) είναι η πρώτη υλοποίηση μίας νέας οικογένειας μικροεπεξεργαστών, οι οποίοι εναρμονίζονται με την αρχιτεκτονική Cell Broadband Engine Architecture (CBEA). Η CBEA είναι μία νέα αρχιτεκτονική που επεκτείνει την 64-bit αρχιτεκτονική PowerPC. Οι επεξεργαστές αυτής της οικογένειας ενδείκνυνται τόσο για εφαρμογές επιστημονικού ενδιαφέροντος όσο και για χρήση σε ένα ευρύτερο σύνολο εμπορικών/καταναλωτικών συσκευών (τηλεοράσεις HD, κονσόλες παιχνιδιών, πολυμεσικές εφαρμογές κ.τ.λ.).Ο επεξεργαστής CBE είναι ένας υβριδικός, πολυπύρηνος επεξεργαστής ειδικής χρήσεως αποτελούμενος από ένα κεντρικό επεξεργαστικό στοιχείο και οκτώ μαθηματικούς συνεπεξεργαστές. Προσφέρει αυξημένες δυνατότητες για ανάπτυξη και εκτέλεση εφαρμογών υψηλής επίδοσης και διαφοροποιείται από τους συμβατικούς επεξεργαστές λόγω κάποιων ιδιαίτερων χαρακτηριστικών των συνεπεξεργαστών, όπως οι δύο ετερογενείς σωληνώσεις, η απλή αρχιτεκτονική τους, η χρήση διανυσματικών εντολών και τύπων δεδομένων και οι ελεγχόμενες από το λογισμικό τοπικές μνήμες τους, οι οποίες συνδέονται σε ένα υψηλού εύρους ζώνης δίαυλο διασύνδεσης στοιχείων και κάνουν εφικτή την ταχεία και ασύγχρονη DMA μεταφορά δεδομένων.Η παρούσα διπλωματική εργασία αποτελεί μία προσπάθεια υλοποίησης κάποιων συγκεκριμένων εφαρμογών επιστημονικού ενδιαφέροντος στην πλατφόρμα της CBEA, αντιμετωπίζοντας και αξιοποιώντας τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της, ιδιαίτερα τη χρήση διανυσματικών πράξεων και τύπων δεδομένων. Συγκεκριμένα, μελετώνται τα προβλήματα του πολλαπλασιασμού πινάκων και της εξίσωσης διάχυσης σε δύο διαστάσεις. Διερευνάται ο τρόπος υλοποίησης και η μέτρηση της επίδοσης των συγκεκριμένων εφαρμογών τόσο σε επίπεδο μίας CBE όσο και σε επίπεδο συστοιχίας από CBEs. Μέσα από αυτή τη διαδικασία αναδεικνύονται οι προγραμματιστικές τεχνικές και οι βελτιστοποιήσεις που οδηγούν στη μεγιστοποίηση της επίδοσης για αυτές τις εφαρμογές.Η εφαρμογή του πολλαπλασιασμού πινάκων, ενός προβλήματος με μεγάλη υπολογιστική πολυπλοκότητα και χωρίς εξαρτήσεις δεδομένων, παραλληλοποιείται εύκολα και επιτυγχάνει υψηλή επίδοση τόσο στο πλαίσιο μίας CBE όσο και στο πλαίσιο συστοιχίας. Αντίθετα, η εφαρμογή της εξίσωσης διάχυσης παρουσιάζει έντονες εξαρτήσεις δεδομένων, με αποτέλεσμα τον περιορισμό της επίδοσης και τη μη αποδοτική κλιμάκωση (scaling) σε επίπεδο συστοιχίας. Σε κάθε περίπτωση, δεδομένης της αδυναμίας των σύγχρονων compilers για αποδοτική παραλληλοποίηση και διανυσματοποίηση αλγορίθμων, η επίτευξη υψηλής επίδοσης από τον επεξεργαστή προϋποθέτει τη χειροκίνητη βελτιστοποίηση του κώδικα από μέρους του προγραμματιστή.