Глава 1. Архитектура вычислительных систем

1.Количественные характеристики, применяемые для оценок параметров вычислительных систем

Широко распространённым и наиболее простым показателем эффективности вычислительных модулей является тактовая частота, которая показывает, сколько элементарных операций может быть выполнено в единицу времени (обычно – в секунду). Элементарная операция, например, — это опрос регистра, запись кода числа в разряд регистра, учёт единицы переноса в одном разряде сумматора. В настоящее время частота может измеряться в герцах, килогерцах, мегагерцах, гигагерцах и т.д. Соотношение между этими единицами и принятые обозначения выглядят следующим образом (в круглых скобках приведено обозначение на английском языке):

1 МегаГц (MegaHz) = 1 МГц (MHz)= Гц (Hz),

1 ГигаГЦ (GigaHz ) = (МГц) MHz = Гц (Hz).

Очевидно, что этот параметр может характеризовать вычислительную систему только приблизительно. Если взять тактовую частоту и умножить на количество вычислительных модулей в системе (или усреднённую тактовую частоту для неоднородных систем), то можно получить некоторое представление о производительности ВС. Следует отметить, что при этом не будут учтены архитектурные особенности вычислителей, коммуникационных сред и характер задач, которые будут решаться на данной вычислительной системе. Кажется целесообразным перенести все вычисления производительностей вычислительных модулей на определения производительности ВС, произведя необходимые коррекции. Дело в том, что решение задачи на вычислительных устройствах аналогичны по организации вычислений. Вначале осуществляется ввод данных, преобразование их, затем, собственно, обработка. В связи с этим методы, используемые для оценок производительности вычислительных модулей, с некоторыми уточнениями можно использовать для оценок производительности ВС. Безусловно, ВС имеют более сложную структуру, поэтому при оценке производительности необходимо учесть архитектурные свойства ВС, класс решаемых задач и степень соответствия класса решаемых задач архитектуре ВС.

Количество операций в секунду является основной величиной для определения производительности вычислительных устройств. Единицами измерения производительности над числами с фиксированной точкой являются

1 MIPS(millions of instructions per second) = операций/секунду; (1.1.1)

1 GIPS = операций/секунд.

Длительность арифметической операции над числами с плавающей точкой существенно больше при прочих равных условиях, поэтому в этих случаях используются другие единицы:

1 FLOPS (floating point operations per second) = 1 операция

с плавающей точкой/секунду (1.1.2)

1 MegaFLOPS = 1 M FLOPS = FLOPS (миллион операций

с плавающей точкой/секунду)

1 GigaFLOPS = 1 G FLOPS = FLOPS (миллиард операций

с плавающей точкой/секунду)

1 TeraFLOPS = 1 T FLOPS = FLOPS (триллион операций

с плавающей точкой/секунду )

1 PetaFLOPS = 1 P FLOPS = FLOPS (квадриллион операций

с плавающей точкой/секунду )

В реальных условиях в решаемых задачах используются арифметические операции над целыми числами, над числами с плавающей точкой. В этом случае используется номинальное или пиковое быстродействие, которое определяется как

, (1.1.3)

где k – количество выполняемых операций, – время выполнения j-й операции из множества операций R вычислительного модуля. При вычислении операций ввода-вывода информация с внешних устройств не учитывается. Для однородной ВС этот показатель выразится в виде:

, (1.1.4)

где N – количество вычислительных модулей в однородной ВС, k – количество выполняемых операций, – время выполнения j-й операции из множества операций R вычислительного модуля.