Performance dei calcolatori

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lezione
Performance dei calcolatori
Tipo di risorsa Tipo: lezione
Materia di appartenenza Materia: Architetture avanzate degli elaboratori
Avanzamento Avanzamento: lezione completa al 100%.

Negli ultimi anni i miglioramenti nella tecnologia dei semiconduttori (dimensione e velocità di clock) e i miglioramenti nell'architettura dei computer (compilatori HLL, UNIX, architetture RISC) ha permesso lo sviluppo di computer lightweight e linguaggi di programmazione interpretati.

In questa lezione vedremo quali sono le metrich e le tecniche comunemente usate per valutare le prestazioni di una macchina, concentrandosi in particolare sui tempi di calcolo.

Valutazione delle performance[modifica]

Per definire "quale computer è più veloce dell'altro" dobbiamo decidere alcune metriche. Solitamente due metriche sono le metriche considerate che dipendono dai soggetti coinvolti del sistema:

  • Computer system user: obiettivo minimizzare il tempo di risposta
  • Computer center manager: obiettivo massimizzare il rateo di completamento (throughput)

Si ricoda che solo se non ci sono sovrapposizioni tra i task (parallelismo), altrimenti risulta maggiore.

Esempio:

Un buffet con 5 stazioni, ogni persona impegna ogni stazione per 2 minuti. Ogni persona impiega 10 minuti a riempire il vassoio. Se consideriamo che al buffet ci accede una persona alla volta il throughput è 1/10, altrimenti è ½ perché 5 persone occupano contemporaneamente le 5 stazioni.

Funzione di speedup[modifica]

Diciamo che "X è n% più veloce di Y" se:

inoltre definiamo:

da cui:

Infine possiamo definire la funzione di speedup come:

Se dobbiamo decidere cosa ottimizzare il sistema come facciamo? Usiamo il buon senso: spesso ci si trova a dover valutare un trade-off, dobbiamo favorire il caso frequeste rispetto a quello infrequente. Ad esempio: in una cpu le operazioni di fetch e decode sono più utilizzate della moltiplicazione, conviene quindi ottimizzare le prime.

Per selezionare il caso frequente e valutare l'impatto si usa la Amdahl's Law, spiegata nella prossima sezione.

Amdahl's Law[modifica]

Sia E un miglioramento del sistema, allora possiamo scvrivere:

Solitamente il miglioramento non coinvolge tutto il sistema, allora si ricorre alla formula:

da cui:

Lo speedup massimo ottenibile (situazione ideale) è quindi:

Esempio:
Si vuole valutare l'impatto di una nuova CPU 10x più veloce, su un server che rimane bloccato per operazioni di I/O il 60% del tempo. Abbiamo allora:

Corollario[modifica]

Se un miglioramento è usabile solo per una frazione di un task, non possiamo velocizzare il task più del reciproco di 1 meno la frazione.

Computer performance[modifica]

Concentriamoci ora sulle performance di un processore. Possiamo identificare due parametriche o metriche applicabili:

  • Tempo di risposta: è il tempo di latenza per completare un task, inclusi accessi a disco, altri I/O, tempi del sistema operativo, ecc. Dipende quindi da molti fattori e spesso è difficilmente calcolabile in maniera precisa.
  • Tempo di CPU: non include i tempi di I/O e corrisponde al tempo per il quale la CPU lavora effettivamente a eseguire un determinato programma. Dato un programma P, si calcola come:

Analizziamo ora in dettaglio come calcolare il tempo di CPU, scomponendolo nelle sue componenti:

Dove:

  • IC (Instruction Count): numero di istruzioni nel programma P. Dipende dall'algoritmo, dal compilatore utilizzato e dall'ISA del processore.
  • CPI (Clock per Instruction): numero medio di clock necessari per eseguire un'istruzione. È determinato dall'ISA e dall'organizzazione della CPU (il programmatore non può farci niente). Per ridurre questo valore si utilizza la pipelining.
  • : è il tempo che intercorre tra un fronte del clock e l'altro. L'inverso determina la frequenza del processore. Dipende dalla tecnologia hardware usata, dall'organizzazione e il design del circuito.

Riassumiamo i parametri e da cosa sono influenzati:

Algoritmo Compilatore ISA Organizzazione HW Tecnologia HW
IC SI SI SI NO NO
CPI NO (parzialmente) SI SI NO
NO NO NO SI SI

NOTA BENE: Per minimizzare il tempo di CPU (quindi migliorare le performance) non è importante minimizzare il singolo termine, ma tutto il prodotto. Inoltre i tre termini sono spesso correlati tra di loro (es. se modifico l'ISA per diminuire IC, devo prevedere un'organizzazione del circuito più complessa e quindi aumentare il tempo di clock).

Altre metriche[modifica]

Sono spesso utilizzate altre metriche tra cui il throughput che utilizza diverse unità di misura, ad esempio:

  • MIPS = Millions of Instructions Per Second = IC/(execution time * 10^6) = clock frequency / (CPI * 10^6)
    • Execution time = Instruction count / (MIPS* 10^6)
  • MFLOPS = Milions of Floating point Operation Per Second = Floating Point operations in program / (CPU time * 10^6)
    • Più "sicuro" per determinate la potenza di calcolo perché le operazioni a virgola mobile (FP) sono solitamente indipendenti dal compilatore e dall'ISA.
    • Casi in cui non sono comunque indipendenti: forti ottimizzazioni del compilatore, confronto tra architetture in cui mancano delle istruzioni (es. sin, cos, radice quadrata, ecc.)

Benchmarks[modifica]

Per valutare nella realtà la potenza di calcolo di un computer si fa riferimento ad appositi software, costruiti per testare le prestazioni secondo determinate metriche.

I benchmarks si dividono principalmente in quattro tipi:

  • Real programs: programmi reali che rappresentano un workload reale. Esempi: un compilatore, processamento di testo, ecc.
  • Kernels or microbenchmarks: sono un frammento di un programma, utili per concentrarsi su particolari caratteristiche (del processore, del disco, ecc.)
  • Synthetic benchmarks: stessa filosofia dei precedenti, ma costruiti appositamente, di solito partendo da basi statistiche (frequenza delle operazioni e operandi presi da un largo insieme di programmi)
  • Instruction mixes: benchmark particolari per valutare CPI.

Tuttavia i bechmark potrebbero non essere rappresentativi (ad esempio un benchmark per la CPU che conteggia anche le operazioni di I/O) e invecchiano presto: le aziende di compilatori, di hardware e di software ottimizzano i loro software per far raggiungere un valore alto a uno specifico benchmark, senza che questo coincida con un vero miglioramento delle performance. Per questo i benchmark devono essere periodicamente rivisti.

Quando si deve valutare, come fanno i benchmark, su più campioni le prestazioni, punto cruciale è capire che tipologie di metrica utilizzare:

  • media aritmetica: è valida solamente se i programmi sono eseguiti con la stessa frequenza;
  • media armonica: si usa quando velocizzare i benchmark lenti dà più vantaggi rispetto a velocizzare dello stesso modo i bencmark veloci. (Esempio: se in auto percorro 10 km a 30 km/h e 10 km a 70 km/h, la media non è 50 km/h!);
  • media geometrica: si usa quando sono dati i ratei e non i tempi.

Potenza ed Energia[modifica]

La metrica Thermal Design Power (TDP) rappresenta un'indicazione del calore (energia) dissipato da un processore. Caratterizza sostanzialmente la potenza consumata e si utilizza per calcolare l'alimentatore e il sistema di raffreddamento necessari. Oggigiorno rappresenta un indicatore fondamentale per valutare la qualità di un sistema, soprattutto nei grandi centri di calcolo e supercomputer. Bisogna tenere sempre presente che però non rappresenta la potenza di picco reale che in certe occasioni si può ottenere. Per misurare il TDP si ricorre solitamente a energy-per-task, ovvero l'energia consumata per eseguire uno specifico task.

La velocità di clock influisce notevolmente sul TDP (quindi sui consumi e temperature) ed è il principale motivo del perché l'aumento della frequenza di clock si è arrestata.

Potenza dinamica e statica[modifica]

Definiamo energia dinamica (dynamic energy) l'energia necessaria a spostare un transitore dallo stato 1 allo stato 0 o viceversa. È calcolabile dalla formula:

a partire da questa definiamo anche la potenza dinamica:

Definiamo poi il consumo di potenza statica (static power consumption), e indica la corrente consumata naturalmente dalle imperfezioni dei transistor, anche quando non avviene alcuna transizione (legge di ohm):

Le principali tecniche per ridurre la potenza sono:

  • Dynamic Voltage-Frequency Scaling: si abbassa e si alza il voltaggio o la frequenza del clock a seconda di una politica.
  • Low power state: alcuni dispositivi (es. DRAM, disks) si pongono in stand-by quando non usati
  • Power-gating: si spengono selettivamente alcuni cores o parti del circuito se non usati