Количество тактов время выполнения

Врем я выполнения

Так как основной характеристикой процессора стала его тактовая частота, то введем частоту в формулу производительность процессора. Помножим числитель и знаменатель на количество тактов, за которое выполнены инструкции:

производительность = количество инструкцийколичество тактов

Первая часть полученного произведения - количество инструкций, выполняемых за один такт (Instruction Per Clock, IPC), Вторая часть произведения - количество тактов процессора в единицу времени (тактовая частота процессора, F или Frequency). Таким образом, производительность процессора зависит не только от его тактовой частоты, но и от количества инструкций, выполняемых за такт (IPC):

производительность = (IPC) (F)

Полученная формула определяет два разных подхода к увеличению производительности процессора. Первый - увеличение тактовой частоты процессора, а второй – увеличение количества инструкций программного кода, выполняемых за один такт процессора.

Увеличение тактовой частоты не может быть бесконечным и определяется технологией изготовления процессора. При этом рост производительности не является прямо пропорциональным росту тактовой частоты, то есть наблюдается тенденция насыщаемости, когда дальнейшее увеличение тактовой частоты становится нерентабельным.

Количество инструкций, выполняемых за время одного такта, зависит от микроархитектуры процессора: от количества исполнительных блоков, от длины конвейера и эффективности его заполнения, от блока предвыборки, от оптимизации программного кода к данной микроархитектуре процессора.

Поэтому сравнение производительности процессоров на основании их тактовой частоты возможно только в пределах одной и той же архитектуры (при одинаковом значении количества выполняемых операций в секунду - IPC процессоров).

Сравнение производительности процессоров с различной архитектурой на основе тактовой частоты неправомерно. К примеру, основываясь на тактовой частоте, некорректно сравнивать производительности процессоров с разным размером кэш памяти уровня L2, или производительности процессоров, поддерживающих и не поддерживающих технологию Hyper-Threading.

Из-за удельного удешевления транзисторов открылась возможность компенсировать несовершенство процессорной архитектуры их количеством, что в конечном итоге и стало причиной консервации предложенной в далекие 40-е годы схемы организации компьютерных систем, которая получила свое название по имени Джона фон Неймана. Трудно представить еще какую-либо из современных технологических областей, которая, декларируя свою причастность к техническому прогрессу, была бы столь консервативна по своей сути. О врожденных недостатках фон-неймановской схемы написано немало, но, что бы сейчас ни говорили на эту тему, еще лет десять назад никакие аргументы не возможно было противопоставить убеждению в том, что процессорная индустрия выбрала единственно правильный путь, основанный на количественном росте. Достаточно вспомнить, с какой гордостью произносились новые цифры; считалось, что, если не хватит миллиона транзисторов, сделаем миллиард — «нет проблем», главное уменьшить размеры кристаллов и межсоединений и повысить тактовую частоту. Но за все приходится платить. Каждый транзистор потребляет энергию, в итоге, по данным IDC, сегодня затраты на электричество, необходимое для питания центров обработки данных, составляют свыше 80% от затрат на приобретение компьютерного оборудования, а через пару лет эти показатели сравняются.

Отход от последовательного исполнения команд и использование нескольких исполняющих блоков в одном процессоре позволяют одновременно обрабатывать несколько процессорных микрокоманд, то есть организовывать параллелизм на уровне инструкций (Instruction Level Parallelism - ILP), что, разумеется, увеличивает общую производительность.

Еще один подход к решению данной проблемы был реализован в VLIW/EPIC - архитектуре IA-64 (очень длинных команд), где часть проблем переложена с аппаратуры на компилятор. И все же разработчики признают, что для достижения высокой производительности архитектура важнее.

При большом числе функциональных блоков микросхемы и большом ее размере возникает проблема, связанная со скоростью распространения сигналов - за один такт сигналы не успевают достигнуть необходимые блоки. В качестве возможного выхода в микропроцессорах Alpha были введены так называемые " кластеры ", где устройства частично дублировались, но зато внутри кластеров расстояния были меньше. Можно сказать, что идея построения многоядерных микропроцессоров является развитием идеи кластеров, но в данном случае дублируется целиком процессорное ядро.

Другим предшественником многоядерного подхода можно считать технологию Intel - HyperThreading, где также есть небольшое дублирование аппаратуры и использование двух потоков инструкций, использующих общее ядро.

Многоядерный процессор имеет два или больше "исполнительных ядер". Ядром процессора можно назвать его систему исполнительных устройств (набор арифметико- логических устройств), предназначенных для обработки данных. Операционная система рассматривает каждое из исполнительных ядер, как дискретный процессор со всеми необходимыми вычислительными ресурсами. Поэтому многоядерная архитектура процессора, при поддержке соответствующего программного обеспечения, осуществляет полностью параллельное выполнение нескольких программных потоков.

К 2006 году все ведущие разработчики микропроцессоров создали двуядерные процессоры. Первыми появились двуядерные RISC-процессоры Sun Microsystems (UltraSPARC IV), IBM (Power4, Power5) и HP (PA-8800 и PA-8900).

О выпуске двуядерных процессоров с архитектурой х86 фирмы AMD и Intel объявили почти одновременно.

Архитектура процессоров достигла достаточно высокой сложности, поэтому переход к многоядерным процессорам становится основным направлением повышения производительности вычислительных систем.

Дата добавления: 2014-01-07