Расчет пиковой производительности ВС

Огромное многообразие различных вычислительных систем (ВС) требует создания критериев и инструментов их сравнительной оценки. Как правило, оцениваются и сравниваются технико-эксплуатационные характеристики ВС, такие как: производительность, отношение производительности к стоимости, ёмкость и тип разных видов памяти, тактовая частота, разрядность процессора и разрядность шин, возможности системы команд, программная совместимость, энергопотребление и др. Сравнительная оценка различных ВС по большинству критериев не представляет никакой сложности, т.к. достоверная информация предоставляется разработчиком или продавцом изделия. Самой большой трудностью, вызывающей наибольшее количество споров и разночтений, является оценка производительности ВС. Даже для одного однопроцессорного компьютера эта характеристика не является величиной постоянной, а тем более для сложной ВС, включающей в свой состав несколько процессоров, ведущих обработку информации с разной скоростью.

Для сравнительной оценки различных ВС применяется множество программ. многочисленные исследования в данной области породили множество различных понятий и характеристик: быстродействие, производительность (пиковая, предельная, номинальная, эксплуатационная, системная, эффективная, максимальная), вычислительная мощность, вычислительная способность (сapability computing), вычислительная ёмкость (capacity computing), рейтинг MIPS, рейтинг FLOPS, время ЦП (CPU time) и др. Каждый из критериев подразумевает свои особенности методологии оценки различных ВС и их классов. Но в итоге все пытаются количественно выразить скорее качественное свойство, которое достигается и за счет применяемых технологий, и за счёт свойств архитектуры ВС.

Самым распространенным критерием производительности ВС сегодня являются две величины пиковая или предельная производительность и реальная производительность, измеряемые в MIPS (или FLOPS) – числе инструкций (или операций), выполняемых системой в единицу времени.

Пиковая или предельная производительность V_пик, измеренная в MIPS, характеризует скорость работы процессора по выполнению собственных инструкций без учёта времени обращения к оперативной памяти и к устройствам ввода/вывода. Определяется эта величина как среднестатистическое число инструкций (целочисленных операций типа «регистр-регистр»), выполняемых в единицу времени (секунду) без учёта их статистического веса в выбранном классе задач (1):

где f – тактовая частота процессора (Гц=такт/сек), – средняя длительность инструкции (такт/инстр), t и Т – длительность выполнения программы, измеренное в секундах и тактах.

Под пиковой производительностью многопроцессорной ВС понимают величину, равную произведению пиковой производительности одного процессора на число N таких процессоров в системе (2). При этом предполагается, что все устройства ВС работают в максимально производительном режиме.

Как видно из (1) и (2), на критерий влияют не только характеристики системы ( f ), но и характеристики программы ( ).[6]

Рассчитаем производительность нашей ВС – Oracle Netra SPARC S7-2.

Тактовая частота процессора (Гц=такт/сек) определяется изготовителем и в нашем случае равна тактовая частота процессора: Oracle SPARC S7, f =4,27 ГГц.

Мерой средней длительности инструкции является CPI. CPI – это мера измерения количество инструкций, которое может быть выполнено за 1 такт процессора. Спецификация процессора Oracle SPARC S7, который используется в микропроцессоре Oracle Netra SPARC S7-2 определяет параметры CPI для операций сложения и вычитания процессора равные 4.

Рисунок 6 - Фрагмент описания характеристик процессора Oracle SPARC S7

Скорость процессора позволяет производить инструкции затрачивая намного меньше времени полного цикла, поэтому нельзя точно теоретически определить его быстродействие, однако округляя CPI мы получим минимальное быстродействие системы.

Обладая 8 ядрами процессора, минимальную предельную производительность ВС Oracle SPARC S7можно будет рассчитать по следующей формуле (3):

Так как данная система обладает 8 ядрами, то R_пик = V_пик (4):

Т.е. ВС Oracle SPARC S7 обладает предельной производительностью в GFLOPS.

Список литературы

1) Статья. Особенности процессоров с архитектурой SPARC компании Sun Microsystems. (http://citforum.ru/database/skbd/glava_19.shtml#_5_2_4)

2) Статья из Википедии. SPARC (https://ru.wikipedia.org/wiki/SPARC)

3) Oracle Netra SPARC S7-2 Overview (https://www.oracle.com/servers/sparc/netra-s7-2/index.html)

4) Oracle Netra SPARC S7-2 Datasheet (http://www.oracle.com/us/products/servers-storage/netra-s7-2-datasheet-3045526.pdf)

5) Микропроцессорные системы [Электронный ресурс] : электрон. учеб. пособие / О. В. Непомнящий, Е. А. Вейсов, Г. А. Скотников, М. В. Савицкая. – Красноярск : ИПК СФУ, 2009.

6) Шнитман В. Современные высокопроизводительные компьютеры, информационно-аналитические материалы Центра Информационных Технологий, 1996 г. (http://citforum.ru/hardware/svk/contents.shtml)

7) Статья. Любопытные факты о процессоре Oracle SPARC S7 (http://nnm.me/blogs/mrarmaged/lyubopytnye-fakty-o-processore-oracle-sparc-s7/)