Производительность компьютерных систем. Пиковая и реальная производительность. Закон Гроша. Методы оценки производительности

Производительность компьютерных систем. Пиковая и реальная  производительность. Закон Гроша. Методы оценки производительности

Часто для количественной оценки быстродействия компьютера используют показатель, называемый "количество операций в секунду". Здесь под  операциями понимаются так называемые "короткие операции" – простейшие арифметические операции типа сложения содержимого двух регистров (регистры – это внутренние ячейки памяти процессора). Применительно к современным  компьютерам используют следующие  измерители быстродействия: MIPS (миллион операций в секунду), GIPS (миллиард операций в секунду), MFLOPS (миллион операций над числами с плавающей запятой),GFLOPS (миллиард операций над числами с плавающей запятой). У современных супер-компьютеров производительность оценивается в TFLOPS (триллионы операций над числами с плавающей запятой).

Современные методики оценки производительности компьютеров основываются на использовании специальных программ- тестов (benchmark). Существуют низкоуровневые и прикладные тесты. Низкоуровневые тесты характеризуют быстродействие отдельных устройств компьютера: процессора, видеоподсистемы, жёсткого диска, оперативной памяти. Прикладные тесты оценивают общую производительность компьютера, при этом решаются задачи различных типов (смесь задач): обработка текстовой информации, табличной информации и баз данных, инженерные и научные расчёты, обработка графической информации, компиляция и компановка программ. По результатам решения каждой задачи проставляются оценочные баллы (тестовые индексы). Суммируя тестовые индексы, по результатам испытаний определяют обобщённый индекс производительности. Чем выше этот индекс, тем выше производительность компьютера.

Одним из известнейших разработчиков  тестирующих программ является компания Ziff-Davis Labs. Среди её продуктов- популярные тесты для настольных компьютерных систем, работающих под управлением операционной системы Windows: Winstone (оценка общей производительности компьютера), Winbench (низкоуровневый тест основных подсистем компьютера, включающийCPU mark32- тест для микропроцесора). Эта же фирма предлагает низкоуровневый тест 3D WinBench для тестирования видеоадаптеров и некоторые другие. Перечисленные тесты можно переписать с web-сайта www.zdbop.com. В числе других известных тестов можно назвать iCOMP Index фирмы Intel, предназначенный для оценки производительности микропроцессоров. Этот комплексный тест включает проверку микропроцессора на выполнение 32-разрядных целочисленных операций, операций над числами с плавающей запятой и мультимедийных операций (обработка звука, изображений, видео и трёхмерной графики). Для оценки производительности микропроцессоров в мультимедийных приложениях также применяют тест Intel Media Benchmark, тест 3D Mark, утилиты по перекодированию видеофайлов с фиксированием времени, затраченного на обработку файла какого-нибудь стандартного размера.

Производительность в  типичных офисных приложениях может  определяться тестом Sysmark 2004 Office. Для оценки общей производительности компьютера применяют тест SPEC 2000, разработанный фирмой Standard Performance Evaluation Corp. (SPEC). Этот тест состоит из двух смесей тестов: для целочисленных вычислений- SPECint2000 и для чисел с плавающей запятой-SPECfp2000.

 

 

ОЦЕНКА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ КОМПЬЮТЕРОВ

Современные компьютеры обладают огромной производительностью. Чтобы понять это, достаточно взглянуть  на трехмерную графику таких игр, как Quake III или Unreal. Однако часто бывает необходимо измерить численное значение производительности системы. Просто сказать, что один компьютер работает быстрее, чем другой, во многих случаях бывает недостаточно. Для того чтобы можно было объективно оценить степень улучшения системы после ее модернизации или сравнить быстродействие разных компьютеров, необходима количественная оценка производительности. Существуют специализированные испытательные программы (benchmark), которые измеряют производительность компьютера при выполнении на нем определенного набора задач. В зависимости от ситуации, они могут быть использованы в разных целях.

■ Сравнение систем. Испытательные программы часто используются для сравнения компьютеров конкурирующих фирм или выявления преимуществ новых моделей перед старыми. Пролистайте любой из компьютерных журналов (Компьютерра, Upgrade и т.п.) — и вы увидите огромное количество рекламных материалов, в которых подчеркиваются численные значения производительностей систем, полученные с помощью испытательных программ. Вы можете сами запустить какую-либо из подобных программ на приглянувшемся вам компьютере и оценить его производительность, прежде чем принять окончательное решение о покупке.

■ Оценка степени улучшения системы после ее модернизации. Испытательные программы часто используют для оценки степени улучшения характеристик системы после ее модернизации. Запустив такую программу на компьютере до и после его модернизации, можно оценить, насколько изменилась его производительность после замены процессора, увеличения объема или замены модулей оперативной памяти, установки нового жесткого диска или системной платы.

■ Диагностика неисправностей. Иногда испытательные программы оказываются полезными для диагностики системы. Проверяя и перенастраивая ключевые компоненты неожиданно «затормозившего» компьютера и оценивая результаты произведенных манипуляций с помощью испытательных программ, опытный специалист сможет быстрее и надежнее определить и устранить причину замедления работы системы, чем просто наблюдая за ее работой.

 

 

 

Производительность  является важнейшей эксплуатационной характеристикой компьютера, однако оценка производительности является неоднозначно решаемой задачей. Не существует общепризнанной всеобъемлющей оценки быстродействия компьютера, поэтому часто под  термином "быстродействие" или "производительность" подразумевают разные характеристики.

Перечислим  факторы, определяющие производительность компьютера:

• быстродействие процессора;
• количество процессоров;
• характеристики оперативной памяти;
• характеристики магистралей передачи данных (шины);
• характеристики внешних устройств;
• эффективность операционной системы, которая организует работу компьютера;
• тип решаемой задачи;
• стиль программирования.

 

 

Главной отличительной особенностью многопроцессорной вычислительной системы является ее производительность, т.е. количество операций, производимых системой за единицу времени. Различают пиковую и реальную производительность. Под пиковой понимают величину, равную произведению пиковой производительности одного процессора на число таких процессоров в данной машине. При этом предполагается, что все устройства компьютера работают в максимально производительном режиме. Пиковая производительность компьютера вычисляется однозначно, и эта характеристика является базовой, по которой производят сравнение высокопроизводительных вычислительных систем . Чем больше пиковая производительность, тем (теоретически) быстрее пользователь сможет решить свою задачу. Пиковая производительность есть величина теоретическая и, вообще говоря, недостижимая при запуске конкретного приложения. Реальная же производительность, достигаемая на данном приложении, зависит от взаимодействия программной модели, в которой реализовано приложение, с архитектурными особенностями машины, на которой приложение запускается.

Существует два способа оценки пиковой производительности компьютера. Один из них опирается на число команд, выполняемых компьютером за единицу времени. Единицей измерения, как правило, является MIPS (Million Instructions Per Second). Производительность, выраженная в MIPS, говорит о скорости выполнения компьютером своих же инструкций. Но, во-первых, заранее не ясно, в какое количество инструкций отобразится конкретная программа, а во-вторых, каждая программа обладает своей спецификой, и число команд от программы к программе может меняться очень сильно. В связи с этим данная характеристика дает лишь самое общее представление о производительности компьютера.

Другой способ измерения производительности заключается в определении числа  вещественных операций, выполняемых  компьютером за единицу времени. Единицей измерения является Flops (Floating point operations per second) – число операций с плавающей точкой, производимых компьютером за одну секунду. Такой способ является более приемлемым для пользователя, поскольку ему известна вычислительная сложность программы, и, пользуясь этой характеристикой, пользователь может получить нижнюю оценку времени ее выполнения.

Однако пиковая производительность получается только в идеальных условиях, т.е. при отсутствии конфликтов при обращении к памяти при равномерной загрузке всех устройств. В реальных условиях на выполнение конкретной программы влияют такие аппаратно-программные особенности данного компьютера как: особенности структуры процессора, системы команд, состав функциональных устройств, реализация ввода/вывода, эффективность работы компиляторов.

 

 

 

 

 

 

Законом Гроша называют следующее замечание о производительности компьютеров, сделанное Хербом Грошем в 1965 году:

Существует фундаментальное правило, которое я скромно называю законом Гроша: получение добавочной экономии есть только квадратный корень от увеличения в скорости — то есть, чтоб сделать вычисления в 10 раз дешевле, вы должны сделать это в 100 раз быстрее.

Это изречение чаще формулируется  так:

Производительность компьютера увеличивается  как квадрат стоимости. Если компьютер A стоит в два раза дороже, чем  компьютер B, то вы должны ожидать, что  компьютер A в четыре раза быстрее, чем  компьютер B.

Закон также может быть истолкован в том значении, что компьютеры представляют собой пример экономии от масштаба: чем более дорог компьютер, тем отношение производительность/цена для него линейно лучше. Это означает, что недорогие компьютеры не могут конкурировать на рынке, поскольку их вычисления дороже. В конце концов, несколько огромных машин будут обслуживать вычислительные запросы всего мира. Предположительно, это могло быть побуждением для предсказания Томаса Дж. Уотсона, на то время, что общий глобальный рынок вычислительных задач составляет пять ЭВМ.

Современный пример: этот закон гласит, для того, чтобы иметь компьютер  в сто раз более мощный, чем  современный PC владельцу пришлось бы заплатить только в десять раз больше.

Обсуждения

Сегодня актуальность закона Гроша  является обсуждаемой. Пол Штрассман утверждал в 1997 году, этот закон Гроша в настоящее время «полностью опровергнут» и служит «напоминанием, что история экономики вычислительных систем изобиловала неподдерживаемыми и неправильными представлениями». Грош сам заявил, что закон являлся более полезным в 1960-х и 1970-х годах, чем сегодня. Он изначально предназначался, чтобы закон был «средством оценки цены на вычислительные услуги». Грош также пояснил, что сегодняшнее наличие изощренных способов исследования стоимости построения компьютерных систем, означает, что его закон имеет ограниченную применимость для современных ИТ-менеджеров.

Применение закона к вычислительным кластерам

Для кластеров, первоначальный закон Гроша предполагает, что если кластер содержит 50 машин, и к нему добавлено еще 50 машин, (удвоение стоимости), то в результате 100-машинный кластер будет иметь учетверенную вычислительную мощность, что, очевидно, неверно. Напротив, даже линейное увеличение производительности — 100-машинный кластер сделать вдвое более мощным, чем 50-машинный кластер, будет проблемой.

Когда Google определялся с архитектурой компьютерной системы для своей услуги веб-поиска, то пришёл к выводу, что расширение масштабов кластеров из больших и средних компьютеров (мейнфреймов) при росте бизнеса было бы слишком дорогим; и потому выбрал для вычислительных массивов дешёвые процессоры и диски