Masterprojekt Rechnerarchitektur - Cheatsheet

Pipeline-Design und -Optimierung

Definition:

Prozess zur Minimierung von Konflikten und Maximierung des Durchsatzes in Pipeline-Architekturen.

Details:

• Ziele: erhöhen der Instruktionsrate (throughput), Reduzieren der Latenz
• Branch Prediction: Vermeidung von Pipeline-Stalls durch Wahrscheinlichkeitsberechnung
• Hazard-Mitigation: Daten-, Steuer-, und strukturelle Hazards adressieren
• Datenweiterleitung (Forwarding/Bypassing): Direktes Weiterleiten der Ergebnisse anstatt auf Speicherzugriff zu warten
• Superskalare Ausführung: mehrere Instruktionen pro Taktzyklus ausführen

Multi-Core und Many-Core Prozessoren

Definition:

Multi-Core: Prozessor mit mehreren Rechenkernen, die parallel arbeiten; Many-Core: Prozessoren mit einer sehr großen Anzahl an Kernen für massive Parallelverarbeitung.

Details:

• Hardware: Mehrere unabhängige Kerne auf einem Chip
• Erhöhte Leistung und Effizienz durch parallele Verarbeitung
• Multi-Core: typischerweise 2-16 Kerne
• Many-Core: 10 bis hunderte Kerne
• Anwendungsgebiete: große Datenmengen, wissenschaftliche Berechnungen
• Herausforderungen: Thread-Verwaltung, Synchronisation, Speicherzugriffe

Leistungsmessinstrumente und -metriken

Definition:

Werkzeuge und Methoden zur Messung der Performance von Rechnerarchitekturen.

Details:

• Typische Metriken:
  • Durchsatz (\textit{Throughput})
  • Latenz (\textit{Latency})
  • Zyklen pro Instruktion (CPI)
• Wichtige Instrumente:
  • Profiler wie \textit{gprof}
  • Tracing-Tools wie \textit{LTTng}
  • Hardware-Performance-Counter
• Metriken zur Effizienzbewertung:
  • FLOPS (Floating Point Operations Per Second)
  • MIPS (Million Instructions Per Second)

Speicherhierarchien und Caches

Definition:

Speicherhierarchien minimieren Latenzen und steigern die Effizienz. Cache speichert häufig benötigte Daten nahe der CPU.

Details:

• Hierarchieebenen: Register, Cache (L1, L2, L3), Hauptspeicher, Sekundärspeicher
• Cache-Kohärenz: Wichtig in Multi-Core-Systemen
• Cache Mapping: Direkt, vollassoziativ, Satzassoziativ
• Cache Miss-Typen: Cold, Conflict, Capacity Miss
• Wichtige Formeln:

Inter-Prozessor-Kommunikation und Synchronisation

Definition:

Inter-Prozessor-Kommunikation und Synchronisation (IPC) ist essentiell für die Koordination und Datenübertragung zwischen mehreren Prozessoren in einem parallelen oder verteilten System.

Details:

• Mechanismen: Shared Memory, Message Passing
• Synchronisation: Methoden zur Vermeidung von Konflikten und zur Koordination der Ausführung (z.B. Semaphoren, Mutexes)
• Wichtige Protokolle: MPI (Message Passing Interface), OpenMP
• Kritische Abschnitte erfordern Sperren (Locks)
• Problem: Race Conditions
• Vermeidung von Deadlocks: Bedingungen/Strategien beachten

Co-Design-Methodologien

Definition:

Ansatz zur gleichzeitigen Entwicklung von Hardware und Software, um die Gesamtleistung und Effizienz zu optimieren.

Details:

• Optimierung des Zusammenspiels von Hardware und Software
• Iterativer Prozess zwischen Hardware- und Softwareentwicklung
• Verwendung von Modellierungen und Simulationen
• Fördert enge Zusammenarbeit verschiedener Teams
• Ziel: Leistung, Energieverbrauch und Kosten minimieren

Neuromorphe Rechnerarchitektur

Definition:

Neuromorphe Rechnerarchitektur emuliert die neuronale Struktur und Funktion des menschlichen Gehirns durch Hardwaredesign und spezielle Algorithmen.

Details:

• Basiert auf dem Konzept der Spiking Neural Networks (SNNs)
• Verwendet spezielle synaptische Knoten und Neuronen-Arrays
• Hochgradig parallel und energieeffizient
• Anwendungsbereiche: Mustererkennung, KI, Sensorik
• Beispiel: IBM TrueNorth, Intel Loihi
• Wichtige Parameter: Latenz, Durchsatz, Energieverbrauch

Benchmarking und Profiling

Definition:

Benchmarking vergleicht die Leistung verschiedener Systeme oder Komponenten unter kontrollierten Bedingungen. Profiling analysiert das Laufzeitverhalten eines Programms, um Engpässe und Optimierungsmöglichkeiten zu identifizieren.

Details:

• Benchmarking: Messung der Leistungsfähigkeit durch standardisierte Tests
• Profiling: Detaillierte Analyse des Programmablaufs und Ressourcennutzung
• Ziel: Leistungssteigerung und Effizienzverbesserung
• Tools: z.B. gprof, Valgrind, perf
• Wichtige Metriken: Laufzeit, Speicherauslastung, CPU-Nutzung
• Vermeidung von Flaschenhalsen und Leistungsproblemen