• 计算机体系结构
  • NUMA（续）
  • DSM
  • VLIW & superscalar
  • Out-of-Order Execution
  • 分支预测
  • 硬件多线程
  • 加长流水线 vs 加宽流水线
  • 参考
• 超算
• AI Chip+

计算机体系结构

NUMA（续）

上图是NUMA（Non-Uniform Memory Access）的结构图。可以看到CPU和一部分内存直接相连，而和其他内存通过总线相连。接近NUMA结点的内存称为本地内存，其他NUMA节点的内存称之为远端内存。

如果我们把局部数据放到直连内存上，CPU显然就能够更快速的访问数据。

与NUMA相关的还有一个著名的BUG：

https://zhuanlan.zhihu.com/p/387117470

十年后数据库还是不敢拥抱NUMA？

参考：

https://software.intel.com/en-us/articles/optimizing-applications-for-numa

Optimizing Applications for NUMA

https://mp.weixin.qq.com/s/uH0XRjDNfVQe5r1aes0zDw

性能之殇：从冯·诺依曼瓶颈谈起

https://zhuanlan.zhihu.com/p/476411477

NUMA架构详解

DSM

Distributed Shared Memory是分布式系统的所有节点（处理器）共享的虚拟地址空间。程序访问DSM中的数据的方式与访问传统计算机虚拟内存中的数据的方式非常相似。

分布式共享内存（DSM）在10几年前是OS领域的研究热点，不过因为网络传输的性能太差了，所以凉了。而基于消息传递模型的分布式计算发展了起来。其中数据以消息的形式从处理器传递到处理器。RPC实际上也是相同的模型。

https://blog.csdn.net/JiangTao2333/article/details/124530699

分布式共享内存（DSM - Distributed Shared Memory）

VLIW & superscalar

超长指令字(VLIW:Very long instruction word)和超标量（superscalar）都在同一个CPU中，集成了数套运算单元。

超标量用硬件来决定哪些指令可以并行执行，而VLIW采用软件来决定哪些指令并行，通过把指令调度的复杂度交给编译器来降低硬件复杂度。超标量CPU，有时也称为宽架构CPU。

VLIW的代表是Intel的Itanium处理器。当处理器的执行宽度(execution width)，指令执行延迟时间，执行单元个数(function unit)改变时，VLIW需要重新编译程序来适应。但是Superscalar却不需要。

因此，VLIW在GPU中用的比较多。GPU程序并不直接生成GPU指令，而是通过厂商提供的DX/OpenGL库操作GPU。因此这些重新编译程序的任务已经由厂商完成，对于使用者透明。

https://mp.weixin.qq.com/s/OQ3KUAi6HMyOS8k3J_1e6g

关于超长指令集VLIW的一些讨论

https://www.zhihu.com/question/430177243

CPU长指令(VLIW)失败的主要原因是什么，VLIW真的无药可救吗？

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VLIW和superscalar的设计差异，实际上是Brainiac和Speed-Demon两种路线之争，前者需要额外使用硬件来处理指令并行，而后者主张用编译器来节省硬件。

然而编译器由于只有编译期的信息，而没有执行期的信息辅助指令生成，设计难度和优化程度远远不如硬件处理，所以VLIW在CPU领域很快就败下阵来，现在流行的CPU，几乎都是superscalar的。

Out-of-Order Execution

superscalar采用了如上图所示乱序执行的方案来并行执行。而且这个能力是硬件提供的，串行的代码不需要做任何修改，就能比原来执行的速度快很多。

分支预测

BTB：Branch Target Buffer，分支目标缓冲。

https://mp.weixin.qq.com/s/tyZXc_hz89SxERjb_c34_w

现代处理器分支预测技术

https://www.zhihu.com/question/645121724

现代中央处理器（CPU）的分支目标缓冲（BTB）是怎么设计的？

硬件多线程

在处理器中多开辟几份线程状态，当线程发生切换时，处理器切换到对应的线程状态执行，这种方式叫做硬件多线程（Hardware Multithreading）。

这里的线程不是软件概念，而是指的指令流水线，也就是下图中Instruction stream。

有两种方式实现硬件多线程：

• 并发多线程(SMT)

• 时域多线程

SMT相当于是多线程版本的Out-of-Order Execution。

时域多线程，又称Hyper-Threading，实际上就是多级流水线。

硬件多线程和Cache一样，都是隐藏指令延迟的常用手段。

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超线程其实就是两个线程共享一个计算单元和内存控制单元，但有自身独立的一些硬件，目的是两个都不是全负荷工作的线程可以轮流使用计算单元来实现比较好的throughput。但只要有一个很忙，那就可能饿死另一个。

进行乱序执行的处理器必须记住这些指令之间的依赖性，使用可重命名的寄存器可以容易地实现这个目的：例如将寄存器中的值存储到内存中，接着加载内存中的其他值到同名寄存器中，这里的”同名寄存器“并不一定是物理上的同一个寄存器。更进一步说，如果把这两条指令映射到不同的物理寄存器中，则他们可以并行执行，这就是实现乱序执行的重点。

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ILP，Instruction Level Parallelism

MLP，Memory Level Parallelism

TLP，Thread Level Parallelism

SMT本质上是：convert TLP into ILP/MLP。在乱序核上将这一点做到极致的，就是IBM的超多路SMT的POWER CPU，它上面跑的数据库，代表了一类应用：ILP低，MLP低。在这类应用上，SMT带来的性能/SMT的硅片面积开销 > 1，非常划算。

但现在双低型应用越来越少了。

https://www.zhihu.com/question/641481229

怎么理解英特尔15代大核取消超线程?

加长流水线 vs 加宽流水线

奔腾四（P4）处理器所使用的核心有三个发展阶段：威廉核心（Willamette）、北木核心（northwoog）、波塞冬核心（Prescott）

第一代P4威廉核心（Willamette）只有13级流水线，频率基本没有上2G，性能中规中矩；

第二代P4北木核心（Northwoog）使用了20级流水线，这个级数比较符合当时的处理能力，没有浪费执行效率，所以北木被认为是P4系列里最成功的一个架构。当时P4非常成功地把AMD速龙XP系列CPU成功压制住了，于是英特尔在加长流水线的路上越走越远；

第三代P4波塞冬核心（Prescott）把流水线长度增加到了31级，缓存也加大了，相应也把频率频率拉的很高，但是大家很快就发现虽然频率高但是实际运行效率却没有北木那么高，3.2G以下波塞冬竟然打不过北木，发热和功耗也成为了劣势，高频低能说的就是波塞冬。

加长流水线既然不行，加宽流水线就成为了必然，超标量、GPU都是这方面的尝试。

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苹果过去强，主要是工艺领先一步，设计上敢加宽架构，现在都用宽架构了，都用台积电新工艺了，差距就不大了。

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https://www.zhihu.com/question/26289306

处理器（CPU）流水线长度是否存在理论极限?

https://www.starduster.me/2020/11/05/modern-microprocessors-a-90-minute-guide

现代微处理器架构90分钟指南

参考

https://blog.csdn.net/do2jiang/article/details/4545889

流水线、超流水线、超标量技术对比

https://blog.csdn.net/edonlii/article/details/8755205

单发射与多发射

https://mp.weixin.qq.com/s/FJX9eeRkxS5nJ4XIhRVwkg

从ServerSwitch到SONiC Chassis：数据中心交换机技术的十年探索历程

https://mp.weixin.qq.com/s/MCYocOY2pHHqiLhcE4SXyg

为什么苹果M1芯片这么快？

https://zhuanlan.zhihu.com/p/358167791

Vector的前世今生（1）：从辉煌到低谷

https://zhuanlan.zhihu.com/p/368640768

Vector的前世今生（2）：ARM SVE简述

https://zhuanlan.zhihu.com/p/594532014

一文搞懂Cortex-A77（ARMv8架构）工作原理

超算

Seymour Cray，1925～1996。1957年，克雷和其它几位ERA的同事辞职后，创办了CDC(Control Data Corporation)。1972年，克雷自立门户，创立了克雷研究公司。

https://blog.csdn.net/programmer_editor/article/details/1305826

西摩•克雷(Seymour Cray)――隐居丛林的超级计算机之父

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Massively Parallel Processor

Top 500超算之间的差距竟有3个数量级，从榜首到落榜差不多要10年时间。OS从2015年开始全都是Linux了。Windows在超算领域从来没有风光过，之前没钱，自然斗不过UNIX，后来又被Linux打趴下了。

Sunway TaihuLight和Sierra的算力相当，但core的数量竟是后者的6.7倍，功耗是后者的2.06倍。差距明显啊！

https://www.top500.org/

超算排名网站

https://zhuanlan.zhihu.com/p/33956771

超算排名之中的地区和架构之争

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https://mp.weixin.qq.com/s/gJWTiMCovGMQ8ye_TovdOw

富士通的这颗芯片凭啥让日本走向了世界之巅？

https://www.zhihu.com/question/404217836

如何看待全球超级计算机TOP 500榜单日本登顶，中国跌出前三？近年中国超算发展现状如何？

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传统的排名是基于涉及64位浮点计算的基准，除此之外还有其他基准。

2021年7月，由国防科技大学研制，部署在国家超级计算天津中心的“天河”E级计算机关键技术验证系统在国际Graph500排名中，获得SSSP Graph500（单源最短路径）榜单世界第一和BIG Data Green Graph500（大数据图计算能效）榜单世界第一的成绩。

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https://www.zhihu.com/answer/2512513124

如何看待美国新的超级计算机Frontier成为超算榜全球第一，超过2–8名计算能力之和？

AI Chip+

https://zhuanlan.zhihu.com/p/231302709

聊聊GPU峰值计算能力

https://zhuanlan.zhihu.com/p/340775090

从Thinker到Evolver：对可演化AI芯片的探索

https://mp.weixin.qq.com/s/MwZ9j1MIwRBrJK4iWKzRqQ

芯故事：和AMD有渊源的那些AI创业公司

https://mp.weixin.qq.com/s/S1fVrSfAM_UJh06Q43s8vA

网络芯片架构的新改变

https://zhuanlan.zhihu.com/p/47904879

AI芯片在5G中的机会

https://mp.weixin.qq.com/s/Z_QVN7OCLqeyMrwK3Sc7qA

AI芯片和传统芯片的区别

https://mp.weixin.qq.com/s/mMiAGH2Yz42xes7jicyygA

“超级芯片”或在十年内诞生，摩尔定律再续一命！（自旋电子逻辑器件“MESO器件”）

https://zhuanlan.zhihu.com/p/503371595

AI芯片（下），自动驾驶里的“水浒卡”

https://mp.weixin.qq.com/s/Vt23nK5zC7Wwv7iiFAFvrQ

高通，玩转DSP和NPU