Discipline SSC - Introducere și Performanță

Informații despre disciplina SSC (6)

• Studenții trebuie să se prezinte strict în grupa lor (L sau P).
• Schimbările între semigrupe sunt posibile doar cu acordul cadrelor didactice.
• Studenții din anul 4 trebuie să comunice prin e-mail adresa Campus și vor fi adăugați în echipă.

Referințe bibliografice

• Baruch, Z.F., Structura sistemelor de calcul, Editura Albastră, Cluj-Napoca, 2005, ISBN 973-650-143-4
• Baruch, Z.F., Aplicații de proiectare digitală cu circuite FPGA, Editura MEGA, Cluj-Napoca, 2020, ISBN 978-606-020-261-5

Cuprinsul cursului

• Introducere
• Unitatea aritmetică și logică
• Sisteme de memorie
• Arhitecturi RISC
• Introducere în arhitecturi paralele

1. Introducere (Indicatori de performanță)

• Indicatori de performanță
• Timpul de execuție
• Timpul UCP
• MIPS
• MFLOPS
• Programe de evaluare a performanțelor
• Legea lui Amdahl

Timpul de execuție (1)

• Performanța unui calculator se referă la viteză și fiabilitate hardware și software.
• Măsura performanței este timpul de execuție (te).
• Timpul de răspuns este timpul necesar pentru finalizarea unui task, care include accesele la memorie, operații I/E și operații sistem.

Timpul de execuție (2)

• UCP (unitatea centrală de prelucrare) este unitatea care execută efectiv programul.
• Timpul UCP reprezintă timpul în care UCP execută un program, nu include timpul de așteptare sau execuția altor programe.
• Poate fi divizat în timpul UCP al utilizatorului și timpul UCP al sistemului.

Timpul de execuție (3)

• Se compară performanțele a două calculatoare (X și Y).
• Calculatorul X este mai rapid decât Y dacă timpul de execuție al lui X este mai mic pentru un task dat.
• Dacă calculatorul X este cu n% mai rapid decât calculatorul Y, atunci formula este: te(Y) / te(X) = 1+n / 100.

Timpul de execuție (4)

• Timpul de execuție (te) este invers proporțional cu performanța (P).
• Creșterea performanței (n) se calculează astfel: n = [P(X) - P(Y)] / P(Y) * 100.
• Poate fi utilizată pentru compararea performanțelor a două calculatoare.

1. Introducere

• Indicatori de performanță
• Timpul de execuție
• Timpul UCP
• MIPS
• MFLOPS
• Programe de evaluare a performanțelor
• Legea lui Amdahl

Timpul UCP (1)

• Timpul UCP (tucp) poate fi exprimat ca produsul dintre numărul ciclurilor de ceas (cucp) și durata unui ciclu de ceas (tc).
• O altă exprimare: tucp = cucp/f, unde f este frecvența semnalului de ceas.

Timpul UCP (2)

• Se poate utiliza numărul instrucțiunilor executate (N) și numărul mediu de cicluri de ceas pe instrucțiune (CPI).
• Timpul UCP poate fi definit ca tucp = N × CPI × tc.

Timpul UCP (3)

• Numărul total al ciclurilor de ceas ale UCP este cucp = Σ(CPI × li) pentru i de la 1 până la n.
• CPI reprezintă numărul de cicluri de ceas pentru instrucțiunile i.
• Li este numărul de execuții ale instrucțiunii i

Timpul UCP (4)

• Rezultă o formulă pentru timpul UCP: tucp = cucp × tc = tc × Σ(CPI × li), unde i variază de la 1 la n.
• Numărul total al ciclurilor pe instrucțiune: CPI = (Σ(CPI × li)) / N

MIPS (1)

• Cel mai important indicator de performanță este timpul de execuție al programelor reale.
• MIPS (Millions of Instructions Per Second): indică numărul mediu de instrucțiuni pe secundă.

MIPS (2)

• Pentru un program dat, MIPS = N / (te × 10^6).
• N este contorul de instrucțiuni.
• te este timpul de execuție (tUCP).

MIPS (3)

• Timpul de execuție exprimat în funcție de indicatorul MIPS: te = N / (MIPS × 10^6).
• Un indicator similar este BIPS (Billions of Instructions Per Second) sau GIPS.
• Avantajul indicatorului MIPS: este ușor de înțeles.
• Există probleme atunci când este utilizat ca măsură de comparație.

MIPS (4)

• MIPS depinde de setul de instrucțiuni și variază pentru programe diferite ale aceluiași calculator.
• MIPS poate varia invers proporțional cu performanța.
• Exemplu: un calculator cu coprocesor pentru calcule în virgulă mobilă.

MFLOPS (1)

• MIPS nu este adecvat pentru calculatoarele științifice și inginerești.
• MFLOPS (Millions of Floating-point Operations Per Second) măsoară numărul de operații în virgulă mobilă .
• Există și alte măsuri similare: GFLOPS, TFLOPS, PFLOPS.

MFLOPS (2)

• Valoarea MFLOPS depinde de calculator și de program.
• Probleme legate de indicatorul MFLOPS: setul de operații în virgulă mobilă variază între calculatoare.
• Valoarea MFLOPS se modifică în funcție de combinația operațiilor întregi și în virgulă mobilă, precum și de viteza lor.

MFLOPS (3)

• Soluția: utilizarea operațiilor normalizate în virgulă mobilă.
• Exemplu: Exemplu cu operații relevante pentru MFLOPS (calculul cantității).

MFLOPS (4)

• Operațiile reale în virgulă mobilă conduc la valoarea nativă pentru MFLOPS.
• Operațiile normalizate în virgulă mobilă conduc la valoarea normalizată pentru MFLOPS.
• Indicatorii MIPS și MFLOPS sunt utili pentru compararea calculatoarelor din aceeași familie.

MFLOPS (5)

• Totuși, MFLOPS este utilizat în programe de evaluare a performanței supercalculatoarelor.
• Exemplu: programul Linpack (bibliotecă software pentru operații de algebră numerică liniară).

MFLOPS (6)

• TOP500 ordonează cele mai rapide 500 de calculatoare cunoscute.
• Lista actualizată: mai 2023.
• Nr. 1 în listă: FRONTIER – HPE CRAY EX235A.
• Produsul este realizat de Hewlett-Packard.

Rezumat (1)

• Timpul de execuție este indicatorul principal de performanță.
• Pentru estimarea performanței UCP, timpul de execuție poate fi aproximat prin timpul UCP.
• Timpul UCP poate fi exprimat în funcție de numărul mediu de cicluri de ceas pe instrucțiune (CPI).
• MIPS este un indicator popular de performanță.

Rezumat (2)

• Există probleme atunci când MIPS este utilizat pentru compararea performanțelor.
• Pentru aplicații care necesită operații în virgulă mobilă, MFLOPS poate fi o metrică de performanță mai utilă.
• Pentru evitarea problemelor legate de utilizarea MFLOPS, se pot utiliza operații normalizate în virgulă mobilă.
• Programul Linpack este utilizat pentru evaluarea performanțelor supercalculatoarelor.

Noțiuni, cunoștințe

• Timpul de răspuns
• Timpul UCP
• Exprimarea timpului UCP
• Indicatorul MIPS
• Probleme legate de utilizarea indicatorului MIPS
• Indicatorul MFLOPS
• Probleme legate de utilizarea indicatorului MFLOPS