Пиковая производительность компьютеров

Лекция №12. Способы оценки производительности процессоров

Исторически первым способом оценки производительности было определение пиковой или технической производительности, представляющей собой теоретический максимум быстродействия компьютера при идеальных условиях. Данный максимум определяется как число операций, выполняемое в единицу времени всеми имеющимися в компьютере обрабатывающими арифметико-логическими устройствами. Значение пиковой производительности измеряется количеством операций в секунду IPS (instructions per second), например, в современных компьютерах используется оценка в миллионах операций MIPS (millions instructions per second) или миллионах операций с плавающей точкой в секунду Mflops (millions floating point operations per second).

Пиковое быстродействие достигается при обработке бесконечной последовательности не связанных между собой и не конфликтующих при доступе в память команд (т. е. когда результат любой операции не зависит от действий, выполненных другими командами). При этом в современных компьютерах предполагается, что все операнды выбираются из внутрикристальной кэш-памяти данных, а команды – из кэш-памяти команд. Разумеется, подобная ситуация чисто гипотетическая, и на практике ни один компьютер не в состоянии работать сколько-нибудь длительное время с пиковой производительностью, хотя и может приближаться к этой величине.

Пиковая производительность является единственной по-настоящему объективной оценкой (для ее определения необходимо знать всего несколько параметров компьютера) и совершенно не зависит от выполняемых программ. Речь идет о тактовой частоте процессора, которая для подавляющего большинства современных компьютеров определяет темп формирования результатов на выходе арифметического конвейера, о числе арифметических конвейеров процессора. Чтобы определить пиковую производительность процессора, надо умножить тактовую частоту на количество параллельно выполняемых операций. При этом надо учитывать архитектурные возможности по совмещению операций, выполняемых в одном такте.

Например, арифметическое устройство Pentium каждый такт может формировать один результат 64-битной операции с плавающей точкой или два 32-разрядных результата целочисленных операций. Следовательно, для Pentium/90 (с тактовой частотой 90 МГц) пиковая производительность равна 90 Mflops (1 Mflops=10⁶ flops) при выполнении вычислений с плавающей точкой и 180 MIPS (Millions Instructions per Second – миллион команд в секунду) при целочисленной 32-разрядной обработке.

Другим примером может служить определение пиковой производительности процессоров Intel Itanium и IBM Power 4. Эти процессоры могут в двух устройствах для обработки с плавающей точкой в одном такте одновременно выполнять команду накопления: a + b ´ с. Поэтому применительно к ним говорят, что пиковая производительность с плавающей точкой равна учетверенной тактовой частоте. Однако это верно только для случая, если надо выполнять одинаковое количество умножений и сложений, что характерно для многих алгоритмов научно-технических задач, например, при численном решении дифференциальных уравнений. В случае, если надо выполнять только одни сложения или умножения, пиковую производительность этих процессоров следует считать равной удвоенной тактовой частоте.

Значения пиковой производительности, при всей простоте их получения, могут оказаться чрезвычайно полезными при обсуждении достоинств компьютеров. Особенно удобно использовать показатели предельного быстродействия для сравнения возможностей процессоров в первом приближении. Американские специалисты по контролю за экспортом вооружений при оценке уровня производительности компьютеров используют показатель составной теоретической производительности (СТР), измеряемой в Mtops (Millions theoretical operations per second – миллион теоретических операций в секунду) [46]. СТР зависит только от аппаратных средств компьютера (тактовой частоты, набора функциональных устройств, пропускной способности и набора внутренних шин, длины разрядной сетки и т. д.).

Однако сравнение производительности компьютеров с использованием пиковых значений производительности не всегда приводит к адекватным результатам. Пиковая производительность, выраженная в количестве команд, выполняемых в единицу времени, не учитывает функционального наполнения команд. Один и тот же результат, например, сложение элементов двух массивов, размещенных в памяти, может быть получен с использованием разного числа команд в RISC- и CISC-процессорах (например, в RISC-процессорах формирование адресов элементов производится отдельными командами, а в CISC – это составная часть сложной команды). Разные форматы команд имеют разную длительность исполнения, и время исполнения последовательности команд зависит от конкретного места каждой команды в последовательности. Не следует забывать также о влиянии разрядности обрабатываемых чисел, чтобы избежать, например, некорректного сравнения производительности при обработке 32- и 64-разрядных данных.

При появлении суперкомпьютеров типа CRAYH была введена единица измерения производительности, выражаемая числом "результатов" с плавающей точкой в единицу времени. Введение этого показателя обосновывалось тем, что есть собственно основные, необходимые операции с плавающей точкой, которые формируют результат вычислений, и есть вспомогательные операции по организации вычислений, которые не должны учитываться в полезной производительности. Например, при умножении матриц важны только операции с плавающей точкой получения значений элементов результирующей матрицы, а операции с фиксированной точкой, формирующие адреса элементов матриц, счетчики циклов и т. д. – это внутренняя организация компьютера. Однако явная проблемная ориентация этого показателя производительности на научно-технические расчеты не сделала его сколько-нибудь распространенным.

Современные процессоры, такие как Intel Itanium и IBM Power 4, совмещают выполнение операций с фиксированной и плавающей точкой, поэтому для них производительность в операциях с плавающей точкой соответствует производительности в результатах.

Дата добавления: 2015-06-25