Организация ЭВМ 1. Общая характеристика и классификация вычислительных

Организация ЭВМ 1. Общая характеристика и классификация вычислительных машин и систем

Организация ЭВМ 1.4 Характеристики и классификация ВМ

Организация ЭВМ 1.4.1 Характеристики ВМ 1.4.1.1 Временные характеристики Время решения задачи Tр Производительность P (perfomance, productivity, throughput) – количество операций (задач), выполняемых (решаемых) в ВМ в единицу времени Быстродействие V (velocity, speed) – величина, обратная времени выполнения (решения) одной операции (задачи)

Организация ЭВМ Соотношение Tр, P, V а) P = V = V1 = 1/Tр б) P = V1 = NV’ = N/Tр’ а) – один процессор б) - конвейер (N ступеней параллельно решают разные этапы одной задачи с общим временем решения Tр’)

Организация ЭВМ Соотношение Tр, P, V в) P = NV = NV1 = N/Tр N задач решаются параллельно

Организация ЭВМ Измерение производительности и быстродействия - единицы OPS – Operations Per Second (Операций в секунду) IPS – Instructions Per Second (Команд в секунду) FLOPS – Floating Point Operations Per Second (Операций с плавающей запятой / точкой в секунду) и производные : MOPS/MIPS/MFLOPS, GOPS/GIPS/GLOPS, TOPS/TIPS/TFLOPS, PFLOPS, EFLOPS, …

Организация ЭВМ Измерение производительности Для измерения используют либо решение задач с помощью стандартных математических библиотек, например, LINPACK (решение СЛАУ), EISPACK (отыскание собственных чисел), либо – тестовые смеси (наборы задач из разных областей), например, SPEC, iCOMP, либо – решение конкретных задач из заданной области (например, TPC, WinBench, 3DMark)

Организация ЭВМ 1.4.1.2 Другие характеристики Разрядность Система счисления Характеристики и емкость систем памяти Скорость обмена между компонентами (интерконнект) Эффективность E = Р / С Характеристики надежности

Организация ЭВМ 1.4.1.3 Характеристики надежности Надежность - свойство системы выполнять заданные функции, сохраняя значение заданных показателей в установленных пределах в течении заданного промежутка времени.

Организация ЭВМ 1.4.1.3 Характеристики надежности Безотказность (То, Pо) Долговечность (Тпр) Достоверность (Тс) Ремонтопригодность (Тво) Коэффициент использования Ки = Tо / (Тво + То + tпо), Коэффициент готовности Кг = Tо / (Тво + То)

Организация ЭВМ 1.4.2 Классификация ВМ и ВС 1) По способу представления информации ВМ непрерывного действия (аналоговые ВМ); ВМ дискретного действия (цифровые ВМ) ; гибридные ВМ (смешанного типа).

Организация ЭВМ 1.4.2 Классификация ВМ и ВС 2) По назначению : универсальные ВМ (ВМ общего назначения); специализированные; проблемно – ориентированные (application-specific).

Организация ЭВМ 1.4.2 Классификация ВМ и ВС 3) По физическим основам работы : электронные ВМ (ЭВМ); механические ВМ; магнитные ВМ; пневматические ВМ; гидравлические ВМ и др.

Организация ЭВМ 1.4.2 Классификация ВМ и ВС 4) По количеству вычислителей и степени связанности : автономные однопроцессорные ВМ; вычислительные системы (ВС); вычислительные комплексы (ВК); вычислительные сети.

Организация ЭВМ 1.4.2 Классификация ВМ и ВС 5) По количеству процессоров : однопроцессорные; многопроцессорные (в т.ч. многоядерные);

Организация ЭВМ 1.4.2 Классификация ВМ и ВС 6) По сфере применения : персональные ВМ; встраиваемые ВМ; коммуникационные ВМ (коммуникаторы); управляющие ВМ (в т.ч. индустриальные); серверные ВМ; высокопроизводительные ВМ (HPC) и др.

Организация ЭВМ 1.4.2 Классификация ВМ и ВС 7) По способу управления : управляемые потоком команд (Instruction Flow); управляемые потоком данных (Data Flow).

Организация ЭВМ 1.4.2 Классификация ВМ и ВС 8) По производительности : супер-ЭВМ (Пфлопс, Эфлопс); мейнфреймы (большие ЭВМ и супер-мини ЭВМ - Тфлопс); серверы и рабочие станции высокой производительности - сотни Гфлопс - Тфлопс; персональные ЭВМ – ПЭВМ (десятки Гфлопс); микро-ЭВМ (встраиваемые, коммуникационные и пр.) – единицы и десятки Мфлопс

Организация ЭВМ Производительность различных ВМ и ВС/ВК Современные процессоры Intel Core – от 10 ГФлопс на ядро, 4 ядра – 40 Гфлопс, 1 процессор Core i5 II – до 70 Гфлопс GPU NVidia GTX 590 – около 2,5 ТФлопс Кластер рабочих станций кафедры ЭВМ – от 1 ТФлопс (92 ядра) до 3 ТФлопс (250 ядер), с учетом GPU – до 7 ТФлопс (на float). Кластер МГУ Ломоносов – 1,3 ПФлопс (2011) – 18 место в TOP500

Организация ЭВМ 1.4.2 Классификация ВМ и ВС 9) По поколениям (по элементной базе ?) : 1 поколение (1940 – 1955) – на базе ламп 2 поколение (1955 – 1965) – на базе дискретных полупроводников (транзисторы, диоды…) 3 поколение (1965 – 1975) – на базе ИС; 4 поколение (1975 – 1990-е) - на базе БИС и СБИС; 5 поколение (1990-е -…) – поколение Интернет и / или искусственного интеллекта (AI)

Организация ЭВМ 1.5 Способы повышения производительности Повышение быстродействия логических элементов (технологический путь – уменьшение размера техпроцесса – до 14нм, FPGA – 28 нм, CPU – 32нм, частоты – до 4-5 ГГц) Архитектурные пути : 2.1 Распараллеливание (Multi-core – 12 ядер, Many-core – 100-ни, HPC кластеры – 10-ки тысяч ядер) 2.2 Конвейеризация (начиная c БЭСМ-6, гиперконвейер – 24 ступени PIV, 14 ступеней Intel Core, …) 2.3 Специализация (MP4, mp3, etc…)

Организация ЭВМ Производительность конвейера Pк = N / (To + N tт) То = (m - 1) tт lim Pк = 1 / tт = Pк пик N→∞

Организация ЭВМ Проблемы распараллеливания 1. Алгоритмические в т.ч. – закон Амдаля : Kуск = Nп / ((Nп – 1) f + 1), Nп – кол-во проц., f – доля последовательной части алгоритма 2. Создание параллельной архитектуры 3. Перенос алгоритма на архитектуру