PERFORMANSA RAČUNALA

Sve odluke tijekom oblikovanja računarskog sustava:

• definiranje i oblikovanja skupa strojnih instrukcija,

• protočnost (engl. pipelining),

• priručna memorija (engl. cache),

• predviđanja grananja,

• paralelizam na razini instrukcija, dretvi, procesa,

• paralelizam na razini funkcijskih jedinica,

• ...

motivirane su unapređenjem performanse računala

Što je performansa računala?Što je općenito performansa sustava?

8087514000145Douglas DC-

8-50

35022006400130BAC/Sud

Concorde

1809807450375Boieing 777

2009806700470Boeing 747

1208958300250Airbus A310

Cijena

(106 $)

Brzina

(km/h)

Domet

(km )

Broj mjesta

u zrakoplovu

Zrakoplov

Primjer (D. A. Patterson, J. L. Hennessy):

Koji od zrakoplova ima najveću performansu?

- Ako odgovaraju putnici koji su zainteresirani da do odredištastignu u najkraćem vremenu, onda bi odgovor bio da je tonadzvučni zrakoplov BAC/Sud Concorde !

No ako je udaljenost odredišta kamo putnik želi stići 8750 km, onda će zrakoplov Douglas DC-8-50 imati najveću performansujer, pretpostavljamo bez obzira što mu za to treba 10 sati,a Concordeu samo oko 4 sata, u obzir treba uzeti dodatno slijetanje Concordea (uzimanje goriva, kontrola putnika, iskrcavanje i ukrcavanje putnika)

- Ako performansu ocjenjuje aviokompanija, onda će performansudefinirati na temelju tzv. propusnosti (engl. throughput) koja je

definirana kao umnožak broja putnika (odnosno, broja mjesta uzrakoplovu) i brzine zrakoplova.

Zrakoplov Boeing 747 imati najveću performansu

-S motrišta agencije FAA (Federal Avion Administration) najveću performansu ima tip zrakoplova koji je najsigurniji

- Promatrati samo performansu, a zanemariti cijenu koja je potrebna da bi se ta performansa ostvarila nije baš uputno

- Ako uzmemo u obzir propusnost kao mjeru performanse (s gledišta aviokompanije) i cijenu zrakoplova, onda je prema omjeru cijena/propusnost najbolji zrakoplov Boeing 747

Propusnost definirana kao umnožak broja putnika (odnosno, broja mjesta u zrakoplovu) i brzine zrakoplova:

Airbus A310: 250 (putnika) x 895 (km/h) = 223750Boieing 777: 375 (putnika) x 980 (km/h) = 367500BAC/Sud Concorde : 130 (putnika) x 2200 (km/h) = 286000Douglas DC-8-50: 145 (putnika) x 875 (km/h) = 126875Boeing 747: 470 (putnika) x 980 (km/h) = 460600

Odnos performanse i cijene:Boeing 747: 460600 / 200 = 2303Douglas DC-8-50: 126875 / 80 = 1585,9

Cijena računala:- Obično se uz samu cijenu računala uzima u obzir i ukupna cijenatijekom njegova "životna vijeka" (engl. life-cycle cost) kojauključuje iznos jamstva, cijenu servisa, troškove za programskui sklopovsku nadogradnju te troškove ekološkog zbrinjavanjanakon njegova životnog vijeka.

- Slično kao što postoje različiti pogledi na performansuzrakoplova, postoje i različiti pogledi na performansu računala.- ako promatramo dva računala koja izvode identičanprogram, onda ćemo računalo koje brže izvrši programsmatrati računalom koje ima veću performansu.- s točke motrišta rukovoditelja centra za automatsku obradupodataka (AOP), brži je onaj računarski sustav koji je završio višezadataka ili poslova tijekom dana ili nekog definiranog vremenskog intervala

S druge strane, individualnog korisnika koji koristi računskeusluge AOP centra zanima samo vrijeme odgovora

(engl. response time, turnaround time, elapsed time) kojeje definirano kao vrijeme koje protekne od trenutka započinjanjapa do trenutka završetka njegova programa;

Vrijeme odgovora – naziva se i vrijeme izvršavanja

(engl. execution time, wall clock time) – ono podrazumijevaukupno vrijeme koje je potrebno da računalo završi zadataki uključuje vrijeme pristupa memoriji i diskovima, vrijeme potrebno za ulazno-izlazne aktivnosti, vrijeme"kućanskih poslova" operacijskog sustava i procesorsko vrijemeizvršavanja (engl. CPU execution time).

- Često se umjesto vremena izvršavanja koristi samo procesorsko vrijeme izvršavanja (ono se kratko naziva i procesorsko vrijeme (engl. CPU time)). Na taj se način želeizlučiti promjenjivi i teško procjenjivi drugi utjecaji

(vrijeme potrebno za ulazno-izlazne aktivnosti, vrijemekućanskih poslova operacijskog sustava) koji uvišeprogramskom sustavu ne ovise samo o određenomkorisničkom programu. U tom slučaju vrijedi:

Performansa = 1 / (procesorsko vrijeme)Procesorsko se vrijeme može podijeliti na vrijeme koje procesortroši za izvođenje korisničkog programa (korisničko procesorsko vrijeme) i vrijeme procesora za izvođenje funkcija operacijskogsustava koje su namijenjene izvođenju upravo tog korisničkogprograma (sistemsko procesorsko vrijeme).

- Ako se ocjena performanse računala temelji na vremenu

odgovora,onda se koristi izraz performansa sustava, a odnosi sena odziv sustava kada je sustav opterećen samo tim korisničkimprogramom (kada je riječ o višeprogramskom, odnosnovišekorisničkom računarskom sustavu).

- Performansa koja u obzir uzima samo procesorsko vrijemeobično se naziva performansa procesora (engl. CPU

performance).

Mjere performanse

– u diskretnim vremenskim trenucima dolazi do promjenestanja u sklopovima stroja

Razmaci između tih diskretnih trenutaka određeni superiodom signala vremenskog vođenja (ili taktnog signala)T (engl. clock cycle, clock tick, clock period).

Perioda T određena je frekvencijom signala vremenskog vođenja f (engl. clock rate):

T = 1 / f

Osnovna mjera performanse procesora, s motrišta korisnika,temelji se na procesorskom vremenu koje je potrebno za izvođenje programa:

(procesorsko vrijeme) = Ncp × T, odnosno

(procesorsko vrijeme) = Ncp / f,

gdje je Ncp broj perioda signala vremenskog vođenja potreban za izvođenje programa, a T perioda signala vremenskog vođenja

Performansa procesora je:

Performansa = 1 / (procesorsko vrijeme)

Primjer:

Frekvencija signala vremenskog vođenja je f = 4 GHz,a broj perioda signala vremenskog vođenja koji je potreban zaizvođenje programa neka je Ncp = 1 290 000. Procesorsko vrijeme je 1290000 / (4 × 109) = 322500 × 10-9

(procesorsko vrijeme) = 0.3225 msPerformansa je:Performansa = 1/ (procesorsko vrijeme) = 1 / (0.3225 × 10-3)

Performansa = 3.1 × 103 s-1

Broj perioda signala vremenskog vođenja potreban za izvođenjeprograma Ncp jednak je umnošku broja izvršenih instrukcijau programu i prosječnog broja perioda signala vremenskogvođenja po instrukciji. Prosječan broj perioda po instrukciji označit ćemo s CPI (clock cycles per instruction). Procesorsko vrijeme tada se računa kao:(procesorsko vrijeme) =

(broj izvršenih instrukcija u programu) × CPI × T, odnosno:(procesorsko vrijeme) =

((broj izvršenih instrukcija u programu) × CPI) / f

(procesorsko vrijeme) = ((broj izvršenih instrukcija u programu) × CPI) / f

Što kraće vrijeme izvođenja:• smanjiti prosječan broj perioda po instrukciji (CPI),• povećati frekvenciju signala vremenskog vođenja (f),• smanjiti broj (izvršenih) instrukcija u programu,Međusobna ovisnost: CPI – f – Ncp

Na primjer, da bi se smanjio broj prosječnih perioda signala vremenskog vođenja po instrukciji (CPI), strojne instrukcije trebaju biti jednostavnije, odnosno određivati jednostavnije operacije. Raspoloživost samo jednostavnih instrukcija, međutim, povećava broj instrukcija u programu jer se u tom slučaju jedna kompleksnija instrukcija mora zamijeniti većim brojem jednostavnijih instrukcija.

Povećanje frekvencije signala vremenskog vođenja f znači smanjenje ukupnog raspoloživog vremena za izvođenje instrukcije, što uz pretpostavku "očuvanja iste količine posla" koju instrukcijatreba obaviti znači povećanje broja perioda signala vremenskogvođenja po instrukciji. S druge strane, tehnološke značajke sklopova također određujugranice do kojih se frekvencija signala vremenskog vođenja možepovećavati.Jedno od ograničenja povećanja frekvencije signala vremenskog vođenjajest i disipacija snage procesora, odnosno problemi koji nastupaju uslijedzagrijavanja silicijskog čipa na kojem je implementiran procesor. Naime, primarni uzrok disipacije snage je tzv. dinamička disipacija kojase odnosi na snagu, odnosno potrošak snage tijekom promjena stanja logičkih sklopova u procesoru (engl. switching). Snaga je u tom slučaju proporcionalna frekvenciji, ukupnom kapacitivnomopterećenju svakog od tranzistora i kvadratu napona.

Na primjer, procesor AMD Opteron X4 koji radi na frekvenciji 2.5 GHzima snagu 120 W koja se pretvara u toplinu na čipu površine nešto veće od 1 cm2 i koju treba odvoditi da bi se osigurali normalni radniuvjeti za procesor.

Jedno od rješenja koje je omogućilo porast frekvencije signalavremenskog vođenja je i smanjenje napona napajanja pa je uposljednjih 20 godina napon napajanja s 5V reduciran na samo1V (obratite pozornost da dinamička disipacija snage ovisio kvadratu napona).

80286 (1982. godina) - 12.5 MHz – 3.3 WCore 2 Kentsfield (2007. godina) - 2667 MHz – 95 W

- u izrazu za performansu procesora javlja se:(broj izvršenih instrukcija u programu) × CPI ,

pri čemu je CPI prosječan broj perioda signala vremenskog vođenja po instrukciji;Vrijedi:Različite strojne instrukcije imaju različita vremena trajanja, odnosno za njihovo se izvođenje zahtijeva različit broj perioda signala vremenskog vođenja, a i njihova je učestalost pojavljivanja u programima različita.Za točniju ocjenu broja potrebnih perioda signala vremenskog vođenja za neki program uzima se u obzir prosječno trajanje svakog tipa instrukcije CPIi i broj izvršenih instrukcija tog tipa Ci, gdje i označava tip instrukcije (npr. instrukcije tipa registar –memorija, registar – registar, memorija – memorija).

U tom je slučaju ukupan broj potrebnih perioda signalavremenskog vođenja za neki program:

pri čemu je n broj različitih tipova instrukcija koje se pojavljujuu programu, Ci - broj izvršenih instrukcija tipa i, a CPIi - prosječno trajanje instrukcije tipa i;

MIPS – Million Instructions per Second:

MIPS = (broj izvršenih instrukcija u programu) / (vrijeme izvršavanja programa × 106)

prirodan MIPS (engl. native MIPS) i intuitivno je razumljiva: brža računala imaju veći MIPS

),(1

i

n

i

i CCPI ×∑=

- mjera MIPS izražava samo broj instrukcija u jedinici vremena, ali nam ništa ne govori o sposobnosti tih instrukcija, odnosnoo složenosti operacija koje one obavljaju.

- Dva se računala s različitim skupovima instrukcija ne moguuspoređivati na temelju te mjere jer se broj instrukcijau programu razlikuje;

- mjera MIPS razlikuje se za isto računalo ovisno o programukoji se izvršava tako da računalo nema jednu mjeru za performansu izraženu u MIPS;

Ako u izraz za MIPS uvrstimo umjesto vremena za izvršavanjeprograma, izraz za procesorsko vrijeme ((procesorsko vrijeme)

= ((broj izvršenih instrukcija u programu) × CPI) / f ) dobivamo:

MIPS = f / (CPI × 106).

Primjer:RISC procesor ima CPI = 1 i radi s frekvencijom 500 M Hz. Njegova performansa izražena u MIPS jedinicama je:

performansa = 500 x 106 / (1 x 106) = 500 MIPS-a

Performansa procesora izražena pomoću mjere MIPS te procjena trenda njezina porasta

Uz mjeru prirodan MIPS koriste se još dvije mjere: vršni MIPS (engl. peak MIPS) i relativni MIPS (engl. relative MIPS).• Vršni MIPS dobiva se izborom mješavine strojnih instrukcijakojom se minimizira CPI čak i uz uvjet da je ta mješavina instrukcija potpuno neupotrebljiva u takvom programu.• Relativni MIPS:

relativni MIPS = MIPSref (Vrijemeref / Vrijememjer),gdje je MIPSref dogovorena mjera MIPS za referentni stroj,Vrijemeref je vrijeme potrebno za izvršenje programa na referentnomračunalu,Vrijememjer vrijeme potrebno za izvršenje istog programa na računalukojem se mjeri performansa

Relativni MIPS proporcionalan je vremenu izvršavanja samo zadani program i iste ulazne podatke.

- računalo dugovječne arhitekture VAX 11/780 (tvrtka DEC)bilo je izabrano kao referentno računalo i bila mu je dogovornododijeljena performansa 1 MIPS.

MFLOPS – Million Floating-point Operations per Second

U znanstvenim i komercijalnim primjenama računala rabe seoperacije brojevima s pomičnim zarezom (zbrajanje, oduzimanje, množenje i dijeljenje) (engl. floating-point operation) gdje su operandi predočeniu obliku eksponent-mantisa i dopuštaju vrlo precizna računanja.

MFLOPS = (broj operacija brojevima s pomičnim zarezom u programu)/ (vrijeme izvršavanja programa × 106)

Primjer:

Aritmetička jedinica Pentium procesora može generirati rezultat64-bitne operacije s pomičnim zarezom u jednoj periodi signalavremenskog vođenja. Za Pentium 90 (koji radi s frekvencijom90 MHz) performansa je 90 MFLOPS-a.

Da bi se dobila predodžba o performansi procesora izraženojpomoću mjere FLOPS, navodimo neke podatke koji vrijedena početku 21. stoljeća: • stolna računala (engl. desktop computer) imaju performansureda GFLOPS-a,

• superračunala (engl. supercomputer) reda TFLOPS.

Očekivana je performansa procesora koja se nalaze trenutno urazvoju PFLOPS (peta FLOPS = 1015 FLPOS)!

SPEC (System Performance Evaluation Cooperative) mjera

• Zbirka programa koju korisnik svakodnevno i učestalo koristipredstavlja dobru podlogu za procjenu performanse novogračunala. • Radno opterećenje računala (engl. workload) definirano je programima iz zbirke i učestalošću njihova izvođenja.

U postupku procjene performanse dva ili više računala korisnikmože usporediti njihova vremena odgovora.

Primjer:Pretpostavimo da se zbirka programa sastoji od 6 programa:

P1 – P6. Slika prikazuje vrijeme odgovora dvaju različitih računala za zbirkuprograma.

Godine 1988. vodeći su svjetski proizvođači računalne opreme i sustava (IBM, Sun Microsystems, Appolo Comp., MIPS Computer Systems, Hewlett-Packard, Intel i drugi) osnovali udrugu SPEC (System Performance Evaluation Cooperative) kojoj je osnovni zadatak bio definirati i oblikovati standardan skup ispitnih programa za procjenu performanse.Na temelju tako definiranog skupa ispitnih programa ostvarujese osnovni cilj: objektivnost procjene performanse, i to tako da niti jedan ispitni program niti postupak prevođenja tih programa ne mogu biti orijentirani i prilagođeni računalnom sustavu nekog određenog proizvođača.

Prva se zbirka ispitnih programa SPEC sastojala od:

• Cint89 – četiri programa za cjelobrojnu obradu (engl. integer-processing program);• Cfp89 – šest programa koji su imali veliki broj operacija brojevima s pomičnim zarezom (dvostruke preciznosti) (engl. double-precision floating-point

operation).

SPEC 89 ispitna metoda pretpostavlja generiranje deset SPEC omjera (engl. SPECratio) različitih rezultata procjene performanse. Svaki od njih definirao je omjer između vremena izvršavanja i-tog programa iz zbirke Cint89 i/ili Cfp89 na računalu VAX 11/780 i ispitnom računalu.

Integralna mjera za performansu računala SPECmark indekspredstavlja geometrijsku sredinu deset pojedinačnih SPEC omjera:

SPECmark 10

10

1

∏=i

iSPEComjer=

gdje ∏=

n

i

ia1

naaa ××× ...21označava

Računalo VAX 11/780 bilo je referentno računalo i imalo je po definiciji 1 SPECmark

Primjer:Pretpostavimo da umjesto 10 ispitnih programa imamo samo tri ispitna programa A, B i C.Ispitivanja su pokazala da su vremena izvršavanja tih triju programa na referentnom računalu:

tRA = 60s, tRB = 25s i tRC = 50s.Vremena izvršavanja na ciljanom računalu (onom kojem procjenjujemoperformansu) su:

tcA = 45s, tcB = 20s i tcC = 60s.Omjeri između vremena izvršavanja na referentnom računalu i vremenaizvršavanja na ciljanom računalu su:

o1 = tRA / tcA = 1,333, o2 = tRB / tcB = 1,250 i o3 = tRC / tcC = 0.833.Integralna mjera za performansu ciljnog računala izražena geometrijskomsrednjom vrijednosti je:

3

3

1

∏=i

io

= == 1,115

33

21 ooo ×× 3 833,025,1333,1 ××= = = 1,115

Na temelju dobivenog rezultata za ovaj bismo pojednostavljeniprimjer mogli pretpostaviti da je performansa ciljnog računalaza faktor 1,115 veća od performanse referentnog računala.

Porast performanse procesora u odnosu na VAX 11/780 (izvor: J. L.

Hennessy, D. A. Patterson) - Performansa je dobivena na temelju SPECint

ispitnih programa

Od 1989. mijenjale su se zbirke ispitnih programa od zbirke SPEC89, preko SPEC92, SPEC95 SPEC2000 do SPEC2006, ali i referentna računala (VAX 11/780, SPARC Station 10/40, radna stanica s 296MHz UltraSPARC II procesorom ) pa je bilo do danasukupno 70 ispitnih programa u različitim ispitnim zbirkama.

Zbirka ispitnih programa SPEC CPU 2006 sastoji se od 12 cjelobrojnih ispitnih programa (CINT 2006) od kojih je devet napisano u programskomjeziku C, a preostala tri u C++ te 17 ispitnih programa koji koriste operacijebrojevima s pomičnim zarezom CFP 2006 (engl. floating-point benchmark) (6 u FORTRAN-u, 4 u C++, 3 u C i 4 mješovito FORTRAN i C). Zbirku cjelobrojnih ispitnih programa sastavljaju programi od GNU C prevodioca (gcc), programa za igranje šaha (sjeng), preko programa za igranje goa (go) do simulacije quantum računala(libquantum).

Sintetični ispitni programi

Sintetični ispitni programi su lažni programi koji ne rješavaju nitiračunaju ništa korisno već svojom strukturom oponašaju statistikukoja se odnosi na učestalost tipova operacija i operanada dobivenuanalizom velikog skupa programa. Dva najpoznatija sintetička ispitnaprograma su Whetstone i Dhrystone. • Whetstone ispitni program razvijen je 1972. i bio je izvorno napisan uprogramskom jeziku Algol (kasnije u FORTRAN-u, Pascalu i jeziku C).• Dhrystone program razvijen je 1984. i predstavlja cjelobrojni ispitni program. Zajednička značajka oba ispitna programa jest da su relativnokratki – nekoliko stotina linija koda u višem programskom jezikui pogodni su za "ugađanje" parametara optimizirajućih prevodioca što u izvjesnoj mjeri narušava objektivnost dobivenih procjenaperformanse.

Amdahlov zakon

(procesorsko vrijeme izvršavanja nakon poboljšanja) = (procesorsko vrijeme na koje se poboljšanjem utjecalo / iznos poboljšanja ) + (procesorsko vrijeme izvršavanja na koje se poboljšanjem nije utjecalo).,

<

−+

=f

p

p

ff

s1

,min)1(

1

gdje je s ubrzanje obrade, f dio na koji se poboljšanjem ne utječe, p

iznos poboljšanja

Primjer:

Pretpostavimo da je procesorsko vrijeme izvršavanja za neki

program 100s i da se od tog vremena 80 s troši na operacije

množenja.

a) Za koliko trebamo poboljšati sklopovlje za množenje, odnosno

povećati brzinu množenja ako želimo da nam program bude 2.5

puta brži?

b) Za koliko trebamo povećati brzinu množenja da dobijemo

ubrzanje za faktor 5.0?

__________________________________________

a) Dio na koji se poboljšanjem ne utječe je f = 0.20. Za ukupno

ubrzanje obrade s = 2.5, primjenom potonje jednadžbe, dobivamo:

<

−+

=f

p

p

1,min

)20.01(20.0

15.2

Dobivamo p = 4. Dakle, trebamo za 4 puta ubrzati operacijumnoženja da bismo dobili ukupno ubrzanje od 2.5 puta.

----------------------------------------------------------------------------b) Za drugi slučaj kada želimo postići ukupno ubrzanje

obrade s = 5.0 dobivamo:

p

)20.01(20.0

10.5

−+

=

iz čega slijedi:

,

80.020.00.5

+=

p

p

odnosno p + 4 = p

Vidimo da nema rješenja, odnosno da nije moguće naći iznospoboljšanja p kojim bi se brzina izvođenja povećala za faktor 5!