Эффективность современных процессоров

Предположим, что в распоряжении пользователя имеется четырехъядерный процессор фирмы Intel с частотой 1,6 ГГц и не сложно определить реальную производительность одного ядра данного процессора на различных простых вычислительных ядрах. Если пользователь хочет ускорить расчеты и для этого собирается перейти на процессор с большей частотой, например, с 2,66 ГГц, то он обычно рассчитывает получить ускорение, равное отношению частот процессоров. Однако на практике реальное значение будет намного меньше. На рис. 1 сиреневым цветом показаны значения реальной производительности процессора с частотой 1,6 ГГц на соответствующих вычислительных ядрах. Малиновым цветом показаны «ожидаемые» значения производительности, полученные из «сиреневых» умножением на отношение частот 2,66/1,6 (на рисунке это отмечено как Clowertown/2,66 ГГц Ideal). А ярко-красным цветом показаны значения реальной производительности, полученные на тех же ядрах в ходе живых экспериментов на Clowertown/2,66 ГГц.

Реальная разница в производительности оказывается намного ниже, чем ожидалось.

А как обстоят дела с эффективностью процессоров на тех же простых вычислительных ядрах – чему равно отношение Rmax/Rpeak? Данные, приведенные на рис. 2 для некоторых платформ, не могут не настораживать. Эффективность даже для столь простых операций лежит в интервале от 20 до нескольких процентов, причем эффективность очень зависит от интенсивности работы с памятью: если выбрать ядра с разным числом массивов и разным числом арифметических операций в теле самого ядра, то легко заметить, что эффективность процессоров быстро снижается до 3-5%.

Возможно, это проблема только платформы фирмы Intel? Нет, это беда отрасли в целом. Если провести исследование эффективности реальных приложений, то понятно, что ситуация стать лучше никак не может. С помощью собственных программных инструментов фирмы Intel было проведено исследование эффективности работы одного ядра процессора Intel Clowertown 2,66 ГГц при выполнении задачи компьютерного дизайна лекарств. Реальная производительность оказалась примерно 400 MFLOPS при пиковой производительности 10,64 GFLOPS – выходит, что КПД работы процессора на данной задаче около 4%, что меньше, чем КПД паровоза. Сказать, что программа написана плохо, нельзя – над ней работали классные специалисты-профессионалы как в прикладной области, так и в ИТ. Аналогичная картина будет наблюдаться и на любой другой современной платформе фирм AMD, IBM и т.п.

Для того чтобы попытаться улучшить результат, нужно углубиться в структуру процессоров, поскольку причин снижения производительности может быть очень много – желание повысить эффективность потребует исследования таких понятий, как: степень суперскалярности процессоров, загрузка конвейерных функциональных устройств, число уровней и объем кэш-памяти, ее ассоциативность, размеры и стратегия замещения строк, и многое другое. Работа, которая не под силу большинству прикладных специалистов.

Дата добавления: 2014-01-04