Анализ быстродействия ОЗУ и построение модели

УДК 004.074
АНАЛИЗ БЫСТРОДЕЙСТВИЯ ОЗУ И ПОСТРОЕНИЕ
МОДЕЛИ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ЭВМ
К.С. Солнушкин
В работе исследовано быстродействие ОЗУ отдельно взятой ЭВМ как функция от параметров подсистемы памяти: частоты шины и режима работы контроллера памяти. Предложена и экспериментально подтверждена модель производительности, устанавливающая линейную зависимость производительности от
быстродействия ОЗУ.
Ключевые слова: модели производительности, быстродействие ОЗУ
Сфера использования высокопроизводительных вычислений сегодня постоянно
расширяется. Однако анализ производительности ЭВМ до сих пор остается сложной
задачей, далекой от окончательного решения. К факторам, оказывающим значительное
влияние на производительность ЭВМ, относится быстродействие оперативного запоминающего устройства (ОЗУ). Несовершенство ОЗУ либо несбалансированность его
скоростных характеристик с аналогичными характеристиками центрального процессора приводит к низкой производительности ЭВМ.
В [1] введены понятия производительность и быстродействие в применении к
ЭВМ. Там же введены понятия номинального и эффективного быстродействия. Эффективным быстродействием ОЗУ мы будем называть быстродействие (в операциях в
единицу времени), наблюдаемое с помощью программ-тестов. В различных тестах измерения организованы по-разному, и понятие «операции» с ОЗУ размывается. Распространенным вариантом операции является чтение (запись) крупных блоков данных сизмерением затраченного времени. Количество байт, перемещенных из ОЗУ в регистры
центрального процессора (ЦП) или обратно за единицу времени, будем называть эффективной пропускной способностью.
Для исследования эффективной пропускной способности ОЗУ применим тест
STREAM [2]. Тест обладает понятными правилами измерения быстродействия, простой
интерпретацией результатов. Накоплена значительная статистика по разным типам
ЭВМ. Будем исследовать ЭВМ класса IBM PC на основе ЦП AMD Athlon XP 2600+. В
данной ЭВМ набор микросхем (так называемый «чипсет») модели nForce2 обеспечивает для контроллера ОЗУ два канала доступа к памяти, которые могут функционировать
одновременно (параллельно). Пользователь может настроить ЭВМ на использование
как одного, так и обоих каналов доступа к памяти.
При исследовании варьировались два фактора – частота шины памяти и режим
работы ОЗУ (одно- или двухканальный). Результаты измерений приведены в табл. 1.
Анализ показывает, что увеличение пропускной способности нельзя аппроксимировать
линейно. С ростом частоты шины прирост быстродействия монотонно уменьшается;
иными словами, быстродействие выходит на асимптоту.
Теперь поставим следующую задачу: выяснить, как эти же параметры ЭВМ (частота шины и режим работы контроллера памяти) влияют на ее производительность в
реальных задачах. В качестве такой задачи рассмотрим численное моделирование с помощью программной системы FLUENT [3] процесса сгорания метана в горелке при
наличии турбулентных потоков; расчетная сетка содержит 353 тыс. элементов (тестовая задача FL5M3, поставляемая с системой FLUENT).
Таблица 1. Пропускная способность ОЗУ на тесте STREAM (ядро Copy)
Частота шины памяти, МГц
166
200
266
333
400
Пропускная способность ОЗУ, МБайт/сек
Режим работы контроллера памяти
Одноканальный
Двухканальный
686
988
795
1064
986
1135
1094
1212
1138
1188
Если разделить количество секунд в сутках на астрономическое время счета в секундах, мы получим количество задач данного типа, которое ЭВМ способна решить за
сутки, без учета ввода/вывода. Эта величина в терминах системы FLUENT называется
рейтингом (англ. rating) и официально используется для сравнения производительности
ЭВМ. Рейтинг – это, фактически, производительность ЭВМ на данной задаче, измеренная в задачах за сутки (в «штуках за единицу времени»). Размерность рейтинга, таким
образом, c-1. В результате эксперимента получены данные, характеризующие зависимость рейтинга от исследуемых параметров (см. табл. 2).
Таблица 2. Рейтинг на задаче FL5M3
Частота шины
памяти, МГц
166
266
333
400
Рейтинг, с-1
Режим работы контроллера памяти
Одноканальный
Двухканальный
99,2
110,8
112,9
117,3
117,9
121,4
117,7
120,5
Производительность ЭВМ, как и ранее – быстродействие ОЗУ, нелинейно зависит
от частоты шины и с повышением частоты выходит на асимптоту. Возникает гипотеза,
согласно которой производительность ЭВМ, возможно, линейно зависит от быстродействия ОЗУ.
Чтобы подтвердить эту гипотезу, по данным табл. 1, 2 построим график производительности ЭВМ в зависимости от быстродействия ОЗУ (см. рис. 1). Как видно из рисунка, экспериментальные данные хорошо согласуются с выдвинутой гипотезой. Обе
линии на рис. 1 являются отрезками прямых. Это означает, что производная от производительности ЭВМ по быстродействию ОЗУ постоянна, т.е. темп роста производительности при увеличении быстродействия является постоянной величиной. Кроме того, отрезки параллельны. Это означает, что темпы роста производительности не только
постоянны, но и одинаковы для обоих режимов работы контроллера памяти.
Как следует из модели, производительность ЭВМ на реальной вычислительной
задаче увеличивается линейно с ростом быстродействия ОЗУ. Это позволяет прогнозировать производительность будущих ЭВМ на имеющихся задачах в процессе проектирования ЭВМ. В качестве направления дальнейших исследований можно указать проверку найденных закономерностей для других типов ЭВМ и вычислительных задач.
125
Рейтинг ЭВМ, 1/с
120
115
110
105
100
95
650
750
850
950
1050
1150
1250
Эффективная пропускная способность, МБайт/с
Одноканальный режим
Двухканальный режим
Рис. 1. Зависимость производительности ЭВМ от быстродействия ОЗУ
Литература
1.
2.
3.
Солнушкин К.С. О значении терминов «производительность» и «быстродействие»
в применении к ЭВМ // Научно-технические ведомости СПбГПУ. – СПб: Изд-во
СПбГПУ. – 2008. – N3(59). – С. 297–300.
McCalpin J. D. Memory Bandwidth and Machine Balance in Current High Performance
Computers // IEEE Computer Society Technical Committee on Computer Architecture
(TCCA) Newsletter. – December 1995. – P. 19. – Режим доступа:
http://tab.computer.org/tcca/NEWS/ DEC95/DEC95.HTM, свободный.
FLUENT. CFD Flow Modeling Software and Solutions from Fluent. – Режим доступа:
http://www.fluent.com/software/fluent/, свободный.
Солнушкин Константин Сергеевич
–
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, ведущий программист, ks@spbstu.ru