Amdahl定律
算力的三大定律
算力的三大定律全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：算力的三大定律是指计算力量的三个基本规律，也是计算机领域中非常重要的概念。
随着科技的不断发展，计算力量的重要性也日益凸显。
下面就来谈谈算力的三大定律，它们分别为摩尔定律、埃姆斯特定律和克劳德-香农定律。
摩尔定律是计算机领域最为著名的定律之一，由英特尔公司创始人之一戈登·摩尔在1965年提出。
摩尔定律的内容是指集成电路芯片上的晶体管数量每隔18-24个月翻一番，同时性能也将提升一倍。
简单来说，就是计算机的速度每两年就会提升一倍，而价格则不变。
这一定律的作用在于促进了计算机技术的进步，也推动了信息技术产业的快速发展。
随着技术的发展，晶体管的数量已经达到了极限，摩尔定律也面临着挑战。
埃姆斯特定律是计算机领域另一条重要的定律，由德国科学家埃姆斯特提出。
埃姆斯特定律的内容是指技术的更新周期越短，系统的成本也就越高。
这一定律的意义在于提醒人们在更新技术时应慎之又慎，不可只因为追求新技术而忽视其成本。
一味地追求技术更新对于企业而言可能会成为一种负担，因此需要在技术更新前进行充分的考量和分析。
克劳德-香农定律则是信息论中的一个基本原理，由克劳德·香农在1948年提出。
克劳德-香农定律的内容是指信息的传输速率与信道容量有直接的关系，当信道容量越大，信息传输速率也就越快。
克劳德-香农定律对于通信领域具有深远的影响，也是现代通信系统设计的重要依据。
通过合理的设计和利用信道资源，可以充分提高信息传输的效率和速度，从而满足人们对信息交流的需求。
算力的三大定律为我们提供了在计算机、通信等领域中应用的基本规律。
这些定律的提出和发展，不仅促进了科技的进步，也为我们提供了在实践中的指导。
在未来的发展中，我们应该继续研究和发展这些定律，以推动科技的不断进步和发展。
【本文2000字，已完成】第二篇示例：算力是指一个系统或设备在单位时间内执行某一种运算的能力，也就是计算机的性能。
并行计算--第2章-并行计算性能评价
加速比的几个问题
绝对加速
对于给定的问题，最佳串行算法能使用的时间除以 同一问题的并行算法所使用的时间
相对加速
同一问题的求解算法在单处理机上运行的时间除以 在多个处理机上的运行时间
超线性加速
一般的讲，线性加速已很难达到，超线性加速则是 难上加难。但在某些算法中，可能出现超线性加速 现象。
概念
可扩放性包括哪些方面?
机器规模的可扩放性
系统性能是如何随着处理机数目的增加而改善的
问题规模的可扩放性
系统的性能是如何随着数据规模和负载规模的增 加而改善
技术的可扩放性
系统的性能上如何随着技术的改变而改善
概念
可扩放性研究的目的是什么？
确定解决某类问题时何种并行算法与何种并 行体系结构的组合，可以有效的利用大量的 处理器；
等效率度量标准（ISO-efficiency）
优点
等效率函数是一种用分析方法处理工作负载 增长率与处理机增长率之间关系的有用的工 具，可用简单的、可定量计算的、少量的参 数就能计算出等效率函数，并由其复杂性可 指出算法的可扩放程度
如果W与p呈线性关系，则系统是可扩放的 如果W与p呈指数关系，则系统是不可扩放的
Sun and Ni’s 定理
Sun and Ni’s 定理
Sun and Ni’s 定理
Sun and Ni’s 定理几何意义
处理能力随处理器 数目的增加而增加
处理器的增加，执 行时间随之增加
2.1 加速比性能定律
2.1.1 Amdahl定律 2.1.2 Gustafson’s定理 2.1.3 Sun and Ni’s 定理 2.1.4 加速比的几个问题 小结
小结
影响加速比的因素：
计算机系统结构课后答案
习题四
1、解释下列术语 RISC CISC 装载延迟
低端排序 高端排序 延迟转移技术 重叠窗口技术
4、某计算机有
10 条指令，它们的使用频率分别为：
0.3、0.24、0.16、0.12、0.07、0.04、0.03、0.02、0.01、0.01 若用霍夫曼编码对它们的操作码进行编码，其操作码的平均码长 为多少？
5、
6、某模型机有
8 条指令，使用频率分别为：
0.3、0.3、0.2、0.1、0.05、0.02、0.02、0.01 试分别用霍夫曼编码和扩展码对其操作码进行编码，限定扩展编 码只有两种长度， 则它们的平均编码长度各比定长操作码的平均编码 长度减少多少？ 答：编码如下表：
指令 1 2 3 4 5 6 7 8 平均指令长度 频率 0.3 0.3 0.2 0.1 0.05 0.02 0.02 0.01 霍夫曼编码 00 01 10 110 1110 11110 111110 111111 2.38 霍夫曼扩展编码 00 01 10 11000 11001 11010 11011 11100 2.6 定长编码 000 001 010 011 100 101 110 111 3
方面加以比较。 答：向量的加工方法有三种：(1)横向加工(2)垂直加工(3)纵横向加工或称为 分组加工。 横向加工用到一个暂存单元，出现 N 次相关和 2N 次功能转换。 垂直加工一次相关一次切换，但要一个中间暂存向量。 横向加工各组有一次数据相关，2 次切换，n 个中间向量寄存器单元。
习题五
1、解释下列术语：
超长指令字机： （VLIW：Very Long Instruction Word）以一条长指令（或一组指 令形式） 来实现每个时钟周期发动多个操作的并行执行， 以减少对存储器的访问。 超标量机：借助对硬件资源重复设置来实现空间的并行操作。 超级流水机：通过提高流水线的运行速度来增强机器的性能，加深流水深度。
计算机体系结构试题库—判断题
计算机体系结构试题库判断题（102题）1．（√）执行时间不是唯一的性能指标，但它是最普遍的性能表示形式。
2．（×）根据Moore定律，DRAM的周期时间是每三年降低四倍。
3．（×）MIPS是测量计算机性能的一致性指标。
4．（√）在计算机性能测量中，调和平均的含义是单位时间机器能够执行的程序数。
5．（×）可以用典型程序来设计和优化指令集。
6．（×）增加流水线的级数总可以增加流水线的性能。
7．（×）多处理机系统中的素数模低位交叉存储器可以避免所有访存冲突。
8．（√）部件的可靠性通常可以用平均无故障时间来衡量。
9．（√）在向量处理机中，链接只能在顺序的Convoy（向量指令并行集）之间进行。
10．（×）n维超立方体单级互连网络中的节点数为n。
11．（×）MIPS和MFLOPS是计算机性能衡量的两个可靠指标。
12．（×）RISC结构的机器性能一定要比CISC结构的机器性能高。
13．（×）平均每条指令的执行周期数（CPI）与程序无关。
14．（√）CPU性能公式中指令条数（IC）与指令集格式和编译器有关。
15．（√）CPU的组织在一定程度上会影响CPU所能达到的频率。
16．（√）解释执行比翻译执行花的时间多，但存储空间占用较少。
17．（×）计算机体系结构设计这不必关心指令集具体实现。
18．（×）当前没有任何一种指令集结构是堆栈型结构，因为它已经过时了。
19．（√）虽然结构相关会影响流水线的性能，但是我们在具体的流水线设计中仍然允许一定的结构相关存在。
20．（×）程序的时间局部性指程序即将用到的信息很可能与目前正在使用的信息在空间上相邻或者临近。
21．（×）程序的空间局部性指程序即将用到的信息很可能就是目前正在使用的信息。
22．（√）Amdahl定律揭示的性能递减规则说明如果仅仅对计算机中的一部分做性能改进，则改进越多，系统获得的效果越小。
计算机系统结构习题课(2012)-万继光
M W B S S S S S S E X M W B S S S E X I D I F M W B E X I D I F M W B S S S S E X I D I F M W B S S S E M W X B S S S I F
CPU时间 = IC ×CPI×时钟周期时间 n = （CPIi×ICi）×时钟周期时间
i=1
n （CPIi×ICi） n ICi 时钟周期数 i=1 CPI = = = （CPIi× IC ） IC IC i=1
f MIPS速 率 CPI 10 6
▲ 2/101
习题1.7
对于一台400MHz计算机执行标准测试程序，程序中指令类型， 执行数量和平均时钟周期数如下：
习题2.14
IEEE754
e N m rm
为便于软件的移植，浮点数的表示格式应该有统一标准 （定义）。1985年IEEE提出了IEEE754标准。 该标准规定基数为2，阶码E用移码表示，尾数M用原码表 示，根据原码的规格化方法，最高数字位总是1，该标准 将这个1缺省存储，使得尾数表示范围比实际存储的多一 位。
采用定向技术消除数据相关
习题3.11（1）
1 LOOP: LW R1 0(R2) IF ADDI R1 R1 #1 SW 0(R2) R1 ADDI R2 R2 #4 SUB R4 R3 R2 BNZ R4 LOOP 2 ID IF 3 EX ID IF 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 1 1 1 1 5 6 7 8 9
计算机体系结构复习计算题
1. 将计算机系统中某一功能的处理速度加快10倍，但该功能的处理时间仅为整个系统运行时间的40%，则采用此增强功能方法后，能使整个系统的性能提高多少？根据Amdahl 定律可知： 系统加速比 ＝ ＝＝由题可知： 可改进比例 = 40% = 部件加速比 = 10 系统加速比 =采用此增强功能方法后，能使整个系统的性能提高倍。
2. 假设一台计算机的I/O 处理占10％，当其CPU 性能改进到原来的10倍时，而I/O 性能仅改进为原来的两倍时，系统总体性能会有什么改进？加速比＝1/（10%/2+90%/10）=本题反映了Amdahl 定律，要改进一个系统的性能要对各方面性能都进行改进，不然系统中最慢的地方就成为新系统的瓶颈。
3. 双输入端的加、乘双功能静态流水线有1、2、3、4四个子部件，延时分别为Δt, Δt, 2Δt, Δt ，“加”由1→2→4组成，“乘”由1→3→4组成，输出可直接返回输入或锁存。
现执行∑=*+41])[(i iiic b a（1） 画出流水时空图，标出流水线输入端数据变化情况。
（2） 求运算全部完成所需的时间和流水线效率。
（3） 找出瓶颈子过程并将其细分，重新画出时空图并计算流水时间和效率。
（1）（2）由上图可知，全部运算完的时间是23Δt 。
923723437=∆⨯∆=t t η（3）部件 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ 结果输入 a 1 a 2 a 3 a 4 a 1+b 1 a 2+b 2 a 3+b 3 a 4+b 4 ① ③ ⑤ b 1 b 2 b 3 b 4 c 1 c 2 c 3 c 4 ② ④ ⑥Δt4 3 2 1由上图可知，流水时间为20Δt 。
1003720537=∆⨯∆=t t η4. 有一条流水线如下所示。
50ns50ns100ns200ns(1) 求连续输入5指令，该流水线的实际吞吐率和效率；(2) 该流水线的瓶颈在哪一段？请采取两种不同的措施消除此“瓶颈”。
系统结构题库(含答案) (6)
第一章计算机系统结构的基本概念知识点汇总计算机系统的层次结构、虚拟机、解释/翻译、计算机系统结构/组成/实现、冯氏分类法、Flynn分类法、以经常性事件为重点原理、Amdahl定律、CPU性能公式、程序局部性原理、计算机系统性能评测指标（执行时间、吞吐率）、基准测试程序、冯诺依曼结构、冯诺依曼结构特点及改进、软件可移植性、系列机、软件兼容（向上、向下、向前、向后）、兼容机、模拟、仿真、并行性含义、并行性等级、提高并行性的途径（包括时间重叠、资源重复、资源共享）、单机系统中的并行性发展、多机系统中的并行性发展、耦合度、松散耦合、紧密耦合简答题1.简述计算机系统的层次结构。
（知识点：计算机系统的层次结构）答：从下到上分成微程序机器级、机器语言、操作系统虚拟机、汇编语言虚拟机、高级语言虚拟机、应用语言虚拟机2.什么是翻译？什么是解释？（知识点：翻译、解释）答：翻译是将L+1级程序全部转成L级程序后，再执行产生的L级程序；解释是每当一条L+1级程序被译码后执行，再解释下一条L+1级指令。
3.计算机系统结构、计算机组成和计算机实现三者之间的关系，并举例说明。
（知识点：计算机系统结构/组成/实现）答：计算机系统结构是指计算机的软硬界面，即机器语言程序员看到的传统机器具有的属性。
计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现。
计算机实现是计算机组成的物理实现。
如，确定指令集中是否有乘法指令属于计算机系统结构内容，乘法指令是否由专门的乘法部件实现是计算机组成，乘法器的物理实现是计算机实现。
4.Flynn分类法将计算机系统结构分成哪四类？请简述。
答：SISD，SIMD，MISD，MIMD5.请简述程序局部性原理。
（知识点：程序局部性原理）答：包括时间局部性和空间局部性。
时间局部性是指：程序即将用到的信息很可能就是目前正在使用的信息；程序的空间局部性是指，程序即将用到的信息很可能与目前正在使用的信息空间上临近。
6.简述Amdahl定律。
加速比定律
Number of processors used
2019/1/20 13
国防科学技术大学并行与分布处理重点实验室
Sun-Ni定律(续)
考虑额外开销时的加速比公式：
fW (1 f )WG ( p) f (1 f )G( p) S fW (1 f )G( p)W / p Wo f (1 f )G( p) / p Wo / W
5
国防科学技术大学并行与分布处理重点实验室
Amdahl定律(续)
考虑额外开销时的加速比公式：
p ， S Ws Wp / p Wo 1 f ( p 1) pWo / W Ws Wp
加速比不可能超过 ( f Wo / W ) ，结果更令 人沮丧。加速比不仅受限于串行计算部分所 占比例，还要受限于额外开销的增长速度。
国防科学技术大学并行与分布处理重点实验室
加速比定律
固定问题规模的Amdahl定律
固定执行时间的Gustafson定律
存储受限的Sun-Li定律
影响加速比的因素
2019/1/20
1
国防科学技术大学并行与分布处理重点实验室
后面分析中将用到的记号与说明
2019/1/20
2
国防科学技术大学并行与分布处理重点实验室
'
，
只要额外开销增长的速度不是很快，同时 函数G随p变化得不是很慢(不小于线性)， 那就能取得接近线性的加速比。 当G(p)=1时退化为Amdahl定律 当G(p)=p时退化为Gustafson定律
2019/1/20 14
国防科学技术大学并行与分布处理重点实验室
影响加速比的因素
待求解问题中的只能串行计算的
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调研报告
一、Amdahl定律
并行计算中的加速比是用并行前的执行速度和并行后的执行速度之比来表示的，它表示了在并行化之后的效率提升情况。
阿姆达尔定律是固定负载（计算总量不变时）时的量化标准。
可用公式：
来表示。
上式中，计算机执行某个任务的总时间可被改进部分的执行时间所占百分比，记为f。
可被改进部分采用改进措施后比没有改进前性能提高倍数，记为m。
二、Amdahl定律的应用
提高处理机的性能：
1、增加处理机的核心个数
改进后系统的加速比：1/[（1-f）+f/n]
其中f为系统可并行执行部分的执行时间占总系统执行时间的百分比
n为处理器核心的增加倍数。
而1-f则为串行部分部分的执行时间所占百分比。
2、提高处理机单一核心的频率
在这种情况之下，我们仅仅提高其中一个核心的频率，而其他核心保持不变。
上式中n 变为核心的频率提高倍数。
而当f>0.5，我们发现只有增加核心的个数才能有效的提高处理器的性能。
当f<0.5时，采用第二种办法，即提高单一核心的频率才能有效提高性能。
三、多核处理器
日常使用的最最基本的程序——操作系统——是支持并行处理的，所以，当在多核处理器上同时运行多个单线程程序的时候，操作系统会把多个程序的指令分别发送给多个核心，从而使得同时完成多个程序的速度大大加快。
另外，虽然单一的单线程程序无法体现出多核处理器的优势，但是多核处理器依然为程序设计者提供了一个很好的平台，使得他们可以通过对原有的单线程序进行并行设计优化，以实现更好的程序运行效果。
虽然多核处理器可以高效解决我们现代化生活中的许多问题，可编程性是多核处理器面临的最大问题。
一旦核心多过八个，就需要执行程序能够并行处理。
尽管在并行计算上，人类已经探索了超过40年，但编写、调试、优化并行处理程序的能力还非常弱。
多核处理器的出现增加了并行的层次性能使得并行程序的开发比以往更难。
然而当前业内并无有效的并行计算解决方案，无论是编程模型、开发语言还是开发工具，距离开发者的期望都有很大的差距。
自动的并行化解决方案在过去的30年间已经被证明基本是死胡同，但传统的手工式的并行程序开发方式又难以为普通的程序员所掌握。
Intel、微软、SUN、Cray 等业内巨头正投入大量人力物力进行相关的研究，但真正成熟的产品在短期内很难出现。
可扩展性是云计算时代并行计算的主要考量点之一，应用性能必须能随着用户的请求、系统规模的增大有效的扩展。
参考文献
Reevaluating Amdahl's law in the multicore era——Xian-He Sun, Yong Chen。