Minden képlet és módszer a CPU teljesítményének kiszámításához

Hardver útmutató » Alkatrészek » Processzorok » Minden képlet és módszer a CPU teljesítményének kiszámításához

Amikor a CPU teljesítményének kiszámításához szükséges összes képletet keresed, ideális, ha jól elmagyarázod őket, kontextussal és gyakorlati esetekkel., nem csak egy laza egyenletlista. Ez az útmutató világos és átfogó módon foglalja össze és írja át a professzionális elemzés mérőszámait, képleteit, árnyalatait és technikáit. (beleértve a Windows Teljesítményelemző használatát is), amelyek gyakran szétszórva jelennek meg számos forrásban.

Itt mindent megtalálsz a klasszikus mértékegységektől (IPS, IPC, CPI és FLOPS) kezdve a végrehajtási idő és a teljesítmény pontos összefüggésén át Amdahl és Gustafson törvényeiig, a memóriáig és a sávszélességig, sőt még azt is, hogyan tanulmányozhatod a szálinterferenciát és a DPC/ISR-t WPA segítségével.Ezenkívül tartalmaz egy CPU energiafogyasztásának (C·V²·F) kiszámítását, eszközöket a mérésére, valamint ajánlásokat a gyakorlati hatékonyság és teljesítmény javítására.

Alapvető mértékegységek és mérőszámok: IPS, IPC, CPI, FLOPS és gyakoriság

Az első dolog, amit figyelembe kell vennünk, hogy melyek a legfontosabb egységek, amelyekkel foglalkozni fogunk:

• IPS (utasítások másodpercenként) Azt méri, hogy a processzor hány utasítást hajt végre egy másodperc alatt (általában MIPS, azaz több millió IPS). Hasznos mérőszám az áteresztőképesség globális képének megszerzéséhez., bár nem ragadja meg jól az utasítások összetettségét vagy a mikroarchitektúrai különbségeket. A történelmi és modern példák jól mutatják a formatervezés és a korszakok közötti szakadékot, és a túlhajtással ez változhat.
• IPC (utasítások ciklusonként) Azt jelzi, hogy a CPU átlagosan hány utasítást hajt végre órajelciklusonként. Kulcsfontosságú megérteni a ciklusonkénti hatékonyságot, függetlenül a frekvenciától.. Az IPC összehasonlításához ugyanazon program vagy benchmark használata szükséges. különböző gépeken, mivel az utasítások száma és típusa a szoftvertől függ.
• CPI (Ciklusok utasításonként) Ez a fogyasztói árindex fogalmi inverze: átlagosan hány ciklust vesz igénybe egy utasítás. A CPI az utasítástípustól és a mikroarchitektúrától függően változik. (például egy terhelés több ciklust igényelhet, mint egy ugrás), ezért általában a következőképpen számítják ki: súlyozott átlag utasításosztályok szerint.
• FLOPS (lebegőpontos műveletek másodpercenként) számszerűsíti a lebegőpontos számítást, ami kritikus fontosságú a nagy teljesítményű számítástechnikában, a mesterséges intelligenciában és a tudományban. Különbséget tesznek az egyszeres pontosságú (SP) és a kétszeres pontosságú (DP) rendszerek között, az energiahatékonyságot pedig FLOPS/W-nek is nevezik.. Fontos különbséget tenni a natív és a normalizált FLOPS között. heterogén platformok összehasonlításakor.
• Frekvencia (Hz) az óra ritmusát jelzi, de nem közvetlenül szinonimája a teljesítménynek. A MHz mítoszaManapság egy alacsonyabb frekvenciájú CPU képes felülmúlni egy gyorsabbat azáltal, hogy párhuzamosság, jobb IPC és hatékonyabb mikroarchitektúrák. Ezenkívül a csővezeték mélysége és a kritikus logika határozza meg az elérhető frekvenciát..

Alapvető képletek: végrehajtási idő, áteresztőképesség, IPC, CPI, IPS és FLOPS

Néhány Alapvető képletek a teljesítmény kiszámításához/méréséhez egy processzorról, amit ismerned kell:

• Végrehajtási időEnnek egy standard kifejezési módja a következő: Idő = NI × CPI × T, hol NI a programban lévő utasítások száma, Fogyasztói árindex az utasításonkénti átlagos ciklusszám és T az órajel periódusideje (T = 1/frekvencia). Egyenértékű: Idő = (NI × CPI) / Gyakoriság. A hardver és a fordítóprogram gyakran támadja a CPI-t és a frekvenciát; az NI a szoftvertől függ..
• Teljesítmény az idő inverze: Teljesítmény = 1 / IdőÁtírás, Teljesítmény = (Gyakrancia × CPI) / NI. Ez egyértelművé teszi a kötelezettségvállalások háromszögét: a gyakoriság és a fogyasztói árindex növelése és/vagy a nettó közvetett ár csökkentése (jobb algoritmus, jobb fordítás) növeli a teljesítményt.
• CPU-idő többprocesszoros rendszereken Szálak időinek összeadásával vagy olyan összesítések használatával fejezhető ki, amelyek figyelembe veszik P processzorok. Párhuzamosan a ténylegesen párhuzamosítható rész és a koordinációs többletköltségek korlátozzák az előnyt. (lásd Amdahl és Gustafson törvényeit alább).
• Effektív fogyasztói árindex egy adott programhoz innen származik a ciklusonkénti tényleges átlagos utasításszám megfigyelt végrehajtása során; összehasonlítás céljából, ugyanazt a referenciaértéket használja mindkét gépen, így az NI és az utasításkeverés összehasonlítható.
• Súlyozott átlagos fogyasztói árindex Általában úgy számítják ki, hogy Σ (CPI_i × súly_i), ahol mindegyik CPI_i egy oktatási osztálynak felel meg, és súly_i az adott osztály törtrésze a programban. Ez az osztályalapú nézet lehetővé teszi, hogy lásd, hol kell optimalizálni (pl. lassú betöltések vagy költséges felosztások).
• IPS (utasítások másodpercenként) gyakran közelíthető a következőképpen: IPS ≈ Gyakoriság × CPI. Legyen óvatos a pipeline-okkal, függőségekkel, predikcióval és csatornaürítéssel.: a gyakorlatban, A kitörések és büntetések eltéríthetnek az elméleti értéktől..
• papucsok Egy egyszerű rendszerben a következőképpen becsülhető: Frekvencia × lebegőműveletek ciklusonként (a vektor szélességétől és az FPU egységektől függően), és párhuzamosan, mint Összes FLOPS ≈ Σ FLOPS az egyes processzorokon. Különbség aközött, hogy SP-ben vagy DP-ben dolgozol és ne feledd a különbséget a kettő között Natív és normalizált FLOPS-ok.

Skálázhatóság: Amdahl törvénye, Gustafson törvénye, gyorsulás, hatékonyság és izohatékonyság

Egyéb fontos képletek a számítógép teljesítményének, hatékonyságának stb. kiszámításához:

• Amdahl törvénye a rendszer egy részének gyorsításából származó nyereséget modellezi. Ha az idő f töredéke nem profitál a javulásból, akkor a maximális gyorsulást 1/f korlátozza.. Párhuzamosan, a p párhuzamosítható törttel a tipikus határérték a következőképpen fejezhető ki: S(N) = 1 / ((1 − p) + p/N). A szűk keresztmetszet javítása (a hatékony szekvenciális rész csökkentése) a legjövedelmezőbb..
• Alkalmazás a csővezetékreA pipelining csökkenti az utasításonkénti késleltetést állandó állapotban, de Buborékolás, adatkockázatok és előrejelzési hibák Büntetéseket adnak hozzá, amelyek korlátozza az ideális gyorsulást. A csővezeték mélyítése növeli a gyakoriságot, de a kiürülés büntetéseket is jelent..
• Gustafson törvénye más nézőpontot képvisel: ahogy a probléma a processzorok számával növekszik, S(N) ≈ N − α (N − 1), ahol α a terhelés skálázásával közelíti a szekvenciális törtet. Hangsúlyozza, hogy a terheléselosztás és a rezsiköltségek határozzák meg a valódi hatékonyságot..
• hatékonyság jelentése: E = S(N) / N. Ahogy N növekszik, E csökkenni kezd koordináció, közös memória és egyensúlyhiányok által. Izohatékonyság keresd meg, hogyan növelje a probléma méretét n mert tartsuk az E értéket állandó értéken, ahogy p (processzorok) növekszik, elnyeli a rezsiköltségeket.

Memória, gyorsítótárak, sávszélesség és tárhely: a teljesítmény másik 50%-a

A feldolgozási számítások mellett a memória teljesítménye is fontos, amelynek legfontosabb képletei a következők:

• A memóriahierarchia határozza meg a CPI-tA gyorsítótár-hozzáférés akár 1 ciklusba is kerülhet, míg a RAM-hozzáférés több száz ciklus. A találati/kudarci arányok legalább annyira, vagy talán még jobban számítanak, mint a nyers sávszélesség és a késleltetés.A jobb találati arány egyenlő kevesebb büntetés és kevesebb energiabefektetés a memóriában.
• Főbb definíciók: Hibák aránya = hibák száma / hozzáférések teljes száma y Találati arány = találatok száma / hozzáférések teljes száma. Növeld az utasítás- vagy adat-gyorsítótár méretét és javítsd a kódod lokalitását növelje a találati arányt és csökkentse a fogyasztói árindexet (CPI).
• DDR és effektív frekvenciaA DDR memóriák teljesítménye 2 átvitel ciklusonként a vezérlőnek, ezért A DDR4-3200 egyenértékű 1600 MHz-es memclk-val.. Elméleti sávszélesség modul szerint közelíthető memclk × 2 × buszszélesség (bitben) × csatornák száma, és bájt/s-ban van kifejezve (osztva 8-cal). Klasszikus példa a DDR4-3200 memóriára, 64 bites busz, kétcsatornás1.600.000.000 2 64 2 × 409.600.000.000 × XNUMX × XNUMX = XNUMX XNUMX XNUMX XNUMX bit/s ≈ 51,2 GB / s.
• Forgási késleltetés a merevlemezen (amikor a fej már a sínen van): becslések szerint 0,5 fordulat / (RPM/60). 7200 fordulat/perc esetén0,5 / (7200/60) ≈ 4,16 ms. A lemezpufferek és a gyorsítótárak csökkenthetik az elérési időt, de nem szüntetik meg a késleltetés mechanikai jellegét.
• Memória- és számítási igényA HPC terhelések elemzése a következőkből áll: működési intenzitás (FLOP/bájt), kapcsolódó Lebegőpontos utasítások és adatmozgatás. Alacsony intenzitású elárulja memóriakorlátozásegy magas, számítási korlát. Elrendezések és szekvenciális hozzáférés optimalizálása teljesen megváltoztathatja a teljesítményprofilt.

Kapcsolódó cikk:

A legmegbízhatóbb CPU és GPU benchmarkok

Fogyasztás és hatékonyság: TDP, dinamikus teljesítmény és eszközök

Másrészt ott vannak a fogyasztás és a hatékonyság kérdései is:

• A TDP nem a tényleges fogyasztás: hőtechnikai/tervezési célkitűzés. A fogyasztás a tényleges terhelés, a feszültség és a frekvencia függvényében változik.Könnyű terhelés alatt, A tényleges átlagfogyasztás általában jóval alacsonyabb, mint a TDP.
• Hozzávetőleges dinamikus teljesítmény: P = C · V² · F. C a kapcsolt kapacitás, V a feszültség és F a frekvencia. A feszültség növelése négyzetesen büntet; ezért a túlhajtás túlfeszültséggel okozza jelentős ugrások a fogyasztásban és a hőtermelésben. A dinamikus részen kívül vannak olyan szivárgások is, amelyek a hőmérséklettel és a folyamattal együtt növekednek..

Kapcsolódó cikk:

Az Intel Core Ultra 9 185H megjelent a CPU-Z-n, és kiemelkedő teljesítményt ígér laptopokban, mini PC-kben és AIO-kban.