Файл: А. Д. Чередов, А. Н. Мальчуков.docx

Методы определения производительности разделяются на три ос- новных группы:

• 
  расчетные, основанные на информации, получаемой теоретиче- ским или эмпирическим путем;
  
• 
  экспериментальные, основанные на информации, получаемой с использованием аппаратно-программных измерительных средств;
  
• 
  имитационные, основанные на моделировании и применяемые для сложных ЭВМ.
  

Основные единицы оценки производительности:

• 
  абсолютная, определяемая количеством элементарных работ, выполняемых в единицу времени;
  
• 
  относительная, определяемая для оцениваемой ЭВМ относи- тельно базовой в виде индекса производительности.
  

---

Для каждого вида производительности применяются следующие традиционные методы их определения.

Пиковая производительность (быстродействие) определяется средним числом команд типа «регистр–регистр», выполняемых в одну секунду, без учета их статистического веса в выбранном классе задач.

Номинальная производительность (быстродействие) определяет- ся средним числом команд, выполняемых подсистемой «процессор– память» с учетом их статистического веса в выбранном классе задач. Она рассчитывается, как правило, по формулам и специальным методи- кам, предложенным для процессоров определенных архитектур, и изме- ряется с помощью разработанных для них измерительных программ, ре- ализующих соответствующую эталонную нагрузку.

Для данных типов производительностей используются следующие единицы измерения:

• 
  MIPS (Mega Instruction Per Second) – миллион команд в секунду;
  
• 
  MFLOPS (Mega Floating Operations Per Second) – миллион опера- ций над числами с плавающей запятой в секунду;
  
• 
  GFLOPS (Giga Floating Operations Per Second) – миллиард операций над числами с плавающей запятой в секунду;
  
• 
  TFLOPS (Tera Floating Operations Per Second) – триллион операций над числами с плавающей запятой в секунду;
  
• 
  PFLOPS (Peta Floating Operations Per Second) – квадриллион опера- ций над числами с плавающей запятой в секунду.
  

Системная производительность

---

измеряется с помощью синтези- рованных типовых (тестовых) оценочных программ, реализованных на унифицированных языках высокого уровня. Унифицированные тесто- вые программы используют типичные алгоритмические действия, ха-

рактерные для реальных применений, и штатные компиляторы ЭВМ. Они рассчитаны на использование базовых технических средств и поз- воляют измерять производительность для расширенных конфигураций технических средств. Результаты оценки системной производительно- сти ЭВМ конкретной архитектуры приводятся относительно базового образца, в качестве которого используются ЭВМ, являющиеся промыш- ленными стандартами систем ЭВМ различной архитектуры. Результаты оформляются в виде сравнительных таблиц, двумерных графиков и трехмерных изображений.

Эксплуатационная производительность оценивается на основа- нии использования данных о реальной рабочей нагрузке и функциони- ровании ЭВМ при выполнении типовых производственных нагрузок в основных областях применения. Расчеты делаются главным образом на уровне типовых пакетов прикладных программ текстообработки, си- стем управления базами данных, пакетов автоматизации проектирова- ния, графических пакетов и т.д.

Была создана целая процедура тестирования True Performance Initiative (процедура измерения реальной производительности – TPI). Методика TPI состоит в измерении эксплуатационной производитель- ности в трех разделах: Productivity – программные приложения; Visual Computing – компьютерная визуализация; Gaming – компьютерные игры.

---

Энергоэффективность процессора

В последнее время при сравнении процессоров пользуются отно- шением производительности к энергопотреблению, которое получило название энергоэффективность процессора. Разработчики процессо- ров предложили оценивать производительность (Р) как произведение тактовой (рабочей) частоты процессора (f) на величину k, определяю- щую количество инструкций, исполняемых процессором за один такт:

P=f·k.

Получается, что увеличить производительность можно, поднимая частоту и/или увеличивая количество инструкций, выполняемых за один такт. Первый подход ведет к увеличению энергопотребления, а второй требует использования определенной микроархитектуры про- цессора (многоядерной), в которой заложены различные технологии, направленные на повышение количества инструкций, выполняемых процессором за один такт.

Что касается энергопотребления (W), то оно вычисляется как про- изведение тактовой частоты (f) процессора на квадрат напряжения U, при котором функционирует процессорное ядро, и некоторую величину Cd (динамическая емкость), определяемую микроархитектурой процес- сора и зависящую от количества транзисторов в кристалле и их актив- ности во время работы процессора:

W=f·U² · Cd.

Из приведенных формул вытекает следующее соотношение, опре- деляющее энергоэффективность процессора:

P/W=k/(U² ·Cd).

Из формулы следует, что для получения наилучшего показателя разработчикам необходимо работать над оптимизацией микроархитек- туры с целью улучшения функциональности исполнительных блоков,

---

при этом не допуская чрезмерного увеличения динамической емкости. Что касается тактовой частоты, то, как показывают приведенные вы- кладки, на рассматриваемое соотношение она вообще не влияет. Напряжение питания ядра зависит не столько от микроархитектуры, сколько от технологических особенностей изготовления процессора.

Любой современный кристалл процессора состоит из огромного количества транзисторов, исчисляемого миллионами, необходимого для достижения высокой производительности процессора. Уменьшение размеров транзистора ведет к уменьшению напряжения питания, что, в свою очередь, снижает энергопотребление, к увеличению скорости работы и плотности размещения транзисторов на кристалле. Поэтому со времени создания первой интегральной микросхемы в 1959 г. развитие микроэлектроники идет по направлению уменьшения размеров транзи- сторов и одновременного увеличения плотности их размещения на кри- сталле. Для оценки этих параметров была введена специальная характе- ристика «Норма технологического процесса производства полупро- водниковых кристаллов», измеряемая в нанометрах (нм). В недалеком прошлом (конец 90-х гг.) кристаллы процессоров изготавливались по 130 нм нормам, затем по 90 нм, 65 нм. С 2008 г. используются 45 нм, с 2010 г. – 32 нм, с 2012 г. – 22 нм, а с 2014 г. – 14 нм нормы технологиче- ского процесса. Спроектированный в Intel по 45 нм нормам транзистор примерно на 20 % опережает своего 65 нм собрата по скоростным ха- рактеристикам и оказывается примерно на 30 % экономичнее с точки зрения затрат энергии на переключение.

Часто вместо характеристики энергопотребление используют ха- рактеристику рассеиваемая тепловая мощность процессора. Для этого используется специальный термин TDP, который

---