Unité 10: Superordinateurs et microprocesseurs Unité 10

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©Pierre Marchand, 2001 311
Objectifs
À la fin de cette unité, vous aurez un aperçu des nouvelles techno-
logies utilisées pour améliorer la performance des ordinateurs, du
microprocesseur au superordinateur. Vous saurez ce qu'est un
processeur RISC et comment le pipeline et la mémoire cache sont
utilisés pour en augmenter la performance.
Pour y parvenir, vous devrez maîtriser les objectifs suivants :
- décrire les principes de l’architecture RISC ;
- décrire le fonctionnement d’un pipeline ;
- décrire les modèles de machine parallèle SIMD et MIMD.
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9.1 Introduction
La performance des ordinateurs modernes couvre la gamme de celle
des superordinateurs tels que le Cray à celle des micro-ordinateurs
personnels à base de microprocesseurs.
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Le plus puissant des Cray actuels,
le Cray T3E-1200, possède de 6 à
2048 proces-seurs, jusqu’à 2 Go
de mémoire centrale par proces-
seur (RAM statique!), et est capa-
ble d’atteindre 2458 milliards
d’opérations de virgule flottante
(Gigaflops) à la seconde.
La bande passante mémoire est de
l’ordre de 700 Go / s.
Les processeurs sont des Alpha
21164A de DEC.

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9.1 Introduction
Ces performances sont nécessaires dans des disciplines ayant des
problèmes nécessitant d’énormes quantités d’opérations arithmétiques,
par exemple :
la météorologie,
la dynamique des fluides,
l’aérodynamique,
l’analyse des structures,
la micro-électronique,
la physique des particules,
la chimie et la biologie moléculaire,
les mathématiques appliquées,
la simulation numérique de systèmes,
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9.1 Introduction
Le traitement d’images (en particulier, les images 3D),
la reconnaissance des formes, etc.
On résout ces problèmes d’abord en augmentant la vitesse du proces-
seur, puis en mettant plusieurs processeurs en parallèle.
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9.1 Introduction
9.1.1 Accroissement de la puissance des ordinateurs
Une des limites à la vitesse des processeurs est le temps de
propagation des signaux.
Distance parcourue Vitesse
en 1 ns en km / s
Lumière dans le vide 30 cm 300 000
Signal électrique dans un 1 µm à 1 cm 1 à 100 000
Semiconducteur
On a donc intérêt à réduire les dimensions physiques des processeurs.
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9.1 Introduction
Une façon de contourner ce problème est d’introduire du parallélisme :
pipelines, unités d’exécution multiples, processeurs auxiliaires spéciali-
sés : accélérateurs graphiques, transformée de Fourier rapide, etc.
Dans le cas de problèmes numériques, les machines vectorielles
s’avèrent souvent une bonne solution. Ces machines effectuent
simultanément la même instruction sur des données différentes au
moyen d’UAL multiples.
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9.1.2 Technologie et performance
Loi d’Amdahl
On peut définir le «speed-up» comme le rapport entre les temps
d’exécution avant et après l’amélioration apportée au matériel.
Comme certains dispositifs ne sont pas nécessairement utilisés à
chaque instruction du programme, le gain obtenu par une
performance accrue, sur une partie de programme, diminue au fur
et à mesure qu’on ajoute des améliorations.
Par exemple, un additionneur dix fois plus rapide ne produira pas
un speed-up de 10 et une machine avec 1000 processeurs
n’exécutera pas chaque travail 1000 fois plus vite.
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9.1.2 Technologie et performance
Loi d’Amdahl
Le temps d’exécution après une amélioration d’un aspect d’une
machine est donné par :
Exemple : Supposons que le temps d’exécution d’un certain
programme soit 100 sec et que les multiplications représentent 80
sec de ce temps. Quel sera le temps d’exécution après avoir
apporté une amélioration de 5 dans la vitesse de multiplication ?
Donc une amélioration globale de 2,77 seulement.
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Temps d'exécution après amélioration
= Temps d'exécution affecté par l'amélioration
Facteur d'amélioration +Temps d'exécution non affecté
Temps d'exécution après amélioration= 80
5+20=36

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9.1.2 Technologie et performance
Loi d’Amdahl
On ne peut donc pas s’attendre à ce qu’une amélioration d’un
aspect d’une machine apporte une amélioration proportionnelle au
facteur d’amélioration.
Unités de traitement
Les technologies ULSI (Ultra Large Scale Integration) et WSI
(Wafer Scale Integration),
les fréquences d’horloge ≥ 1 GHz,
la technologie RISC,
permettent aujourd’hui d’atteindre un cycle machine inférieur à 1
ns, donc plus de 1000 MIPS.
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Mémoires
La capacité des DRAM augmente d’un facteur 4 tous les 3 ans.
La capacité des disques durs double tous les trois ans. Avec les
nouvelles têtes magnéto-résistives qui survolent la surface du
disque à 0,01 microns, on s’attend à ce que l’augmentation
annuelle de la densité passe de 30 à 60%.
Communications
Communications par câble, par satellite, etc. Transmission par
fibre optique. Communications par infra-rouge.
Parallélisme à tous les niveaux.
Parallélisme des actions et des opérations à tous les niveaux de
traitement, de stockage et de transmission des opérations.
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