Что означает скорость эффективность энергозатраты компьютерной системы

Обновлено: 07.07.2024

Тема: вычисление показателей производительности вычислительной системы: Быстродействие, КПД, энергозатраты, закон Амдала, процессорное время.

Цель: производительность компьютера-в настоящее время является основным компонентом курсов по компьютерной архитектуре, и все студенты компьютерных наук и специалисты по вычислительной технике должны иметь рабочие знания по этой теме.

1. Вычисление основных показателей производительности вычислительной системы

2. Объяснение закон Амдаля

1. Вычисление основных показателей производительности вычислительной системы: производительность системы и ее оценка: определение, измерение и контрольные показатели.

В этих заметках мы вводим понятие производительности компьютера (термины "производительность компьютера" и "производительность системы" в значительной степени взаимозаменяемы) и обсуждаем, как ее можно измерить. В частности, мы показываем, что производительность компьютера нелегко определить, и ее нелегко измерить. Производительность компьютера в настоящее время является основным компонентом курсов по компьютерной архитектуре, и все студенты компьютерных наук и специалисты по вычислительной технике должны иметь рабочие знания по этой теме.

Интуитивно любой, кто впервые столкнется с термином "производительность компьютера", будет иметь впечатление, что он каким-то образом связан с тем, насколько быстр компьютер; то есть производительность компьютера говорит нам, насколько хорош компьютер, и позволяет нам определить, лучше ли компьютер а, чем компьютер В.

Когда мы говорим о таком измерении, как производительность, мы часто используем термин метрика (измерение); например, вы можете сказать “ "энергопотребление компьютера является полезной метрикой при сравнении компьютеров".

В этой статье рассматривается природа производительности компьютера и то, как мы ее измеряем. В частности, он указывает на то, что трудно осмысленно сравнивать компьютеры, и вы должны понимать ограничения любого сравнения.

Кто интересуется производительностью компьютера?

Каждый, кто определяет или покупает компьютер, должен быть заинтересован в производительности, потому что он должен иметь возможность сравнивать конкурирующие машины, чтобы сделать осознанный выбор. Более того, даже пользователи компьютеров должны понимать производительность компьютера, потому что это помогает им получать наилучшие результаты от своей машины.

Каждый тип пользователей компьютера может просматривать производительность компьютера по-разному. Ниже мы перечислим некоторые из способов, с помощью которых производительность рассматривается различными категориями пользователей компьютеров.

Конструктор компьютеров создает компьютеры. Чтобы продать свой новый компьютер, он должен быть лучше, чем существующие компьютеры; то есть, в некотором роде он должен иметь лучшую производительность. Это означает, что проектировщик должен иметь средства измерения производительности существующих компьютеров и сравнения производительности нового компьютера с ними.

Как и разработчики компьютеров, производители и salesforce все должны понимать и измерять производительность, чтобы продать свой компьютер его потенциальным пользователям.

Одним из крупнейших пользователей компьютеров является корпоративный пользователь, то есть те, кто использует компьютеры для выполнения своей работы в промышленности или торговле. Только представьте, сколько людей сидит перед компьютерами в банках и страховых офисах. Когда банк покупает новое поколение компьютеров взамен старого, покупатель должен принять решение, основанное на его производительности (или соотношении цена: производительность) конкурирующих компьютеров. В таких сделках участвуют очень большие суммы денег, и очень важно принять взвешенное решение.

Узнать мощность своего компьютера можно по-разному: вооружиться мультиметром и тестировать вручную или зайти на онлайн-калькулятор и посчитать все за 5 минут. Последние выдают результаты автоматически — вбиваешь свои данные и готово. А мы в этом материале проверяем онлайн-калькуляторы на честность. Какие из них выдают более точные данные, какими проще и удобнее пользоваться? И стоит ли вообще доверять готовым алгоритмам или лучше все перепроверить самому?

Тестируем реальную мощность ПК

Перед проверкой калькуляторов сначала нужно определить реальную мощность ПК. Тестируем пару персональных компьютеров двумя способами:

Амперметром ACM91 измеряется ток по выходным линиям блока питания. Далее рассчитывается, затем суммируется мощность.
По входу блока питания (220 В) измеряется мощность. В этом случае делается поправка на КПД блока питания и используется как справочное значение.

ПК нагружались тестом стабильности от AIDA, видеокарта — дополнительно стресс-тестом от FurMark. Все компоненты ПК работали в штатном режиме, без разгонов. Для видеокарты была установлена максимальная производительность из предложенных производителем Profiles.

Конфигурации ПК1 и ПК2

Комплектующие

ПК 1

ПК 2

SSD A-Data SX6000 Pro, 256 ГБ, М.2 2280

Измеренная потребляемая мощность ПК

ПК1

ПК2

U12CPU —линия питания процессора;

(I5-8400, TDP 65 Вт)

(I5-4460, TDP 84 Вт)

191 Вт

Тесты онлайн-калькуляторов мощности

Калькулятор от Bequiet

Онлайн-калькулятор от известного производителя солидных блоков питания Bequiet.

Разработчики калькулятора не стали мудрить и предусмотрели в калькуляторе расчет только по четырем основным компонентам: процессор, видеокарта, система и охлаждение. Это упрощает использование калькулятора и, надо сказать, без вреда для правильного выбора блока питания.

Калькулятор предлагает обширный список моделей процессоров — от самых древних до процессоров последних поколений.

Мощность потребления процессора, как правило, определяется по его TDP. Однако для последних моделей процессоров разработчики калькулятора учитывают максимальное пиковое потребление, которое в течение определенного времени может превышать TDP. Например, в соответствии со спецификацией для ЦП i5-10600K TDP составляет 125 Вт, при этом максимальная непродолжительная пиковая мощность процессора может достигать 182 Вт. И блок питания должен обеспечивать данную мощность, что и учитывается в калькуляторе. Для процессора можно указать два режима разгона: «Разогнанная версия (ОС)» и «Экстремальный разгон». При этом первый режим добавит к потреблению ЦП 10 %, а второй 25 %.

Мощность видеокарты учитывается в соответствии с характеристиками от производителя. Стоить отметить, что для последних моделей видеокарт в калькуляторе учитываются более высокие мощности, по сравнению с данными от производителя. Так, для видеокарты RTX3060Ti для расчетов используется значение мощности в 330 Вт против 200 Вт, указанных производителем. Список моделей внушительный — до самых последних моделей. Нашлась даже скромная GTX 1650 Super. Как и для процессоров, для видеокарты можно также указать режимы разгона. Первый режим добавит 10 % к номинальной мощности, а второй 25 %.

В разделе «Система» можно указать количество модулей памяти, устройств SATA и даже устройств PATA. Каждый модуль памяти добавляет 4 Вт к рассчитываемой мощности, каждое устройство SATA или PATA — по 15 Вт. В качестве устройства SATA я укажу свой SSD М.2, так как в калькуляторе отсутствует отдельное поле для указания таких устройств.

В разделе «Охлаждение» можно указать дополнительные вентиляторы в системе и (или) систему водяного охлаждения. Каждый вентилятор добавляет 5 Вт.

В калькуляторе предусмотрена еще одна установка — «Использование USB 3.1 Gen 2 для передачи энергии».

Спецификация USB 3.1 Gen 2 в теории подразумевает возможность передачи до 100 Вт мощности. И действительно, если установить здесь галочку, то рассчитанная потребляемая мощность компьютера увеличится на 100 Вт.

В результате мы получаем рассчитанную максимальную потребляемую мощность системы и возможность указать свои пожелания для дальнейшего выбора блока питания.

Приоритетом мы указали цену и в качестве первой рекомендованной модели получили be quiet! SYSTEM POWER 9 400W.

Результаты

Рассчитанная мощность калькулятором Bequiet

Измеренная потребляемая мощность ПК

*за вычетом 20 Вт на реально установленную GTX 1650 Super

Калькулятор от Сoolermaster

Широкий выбор процессоров вплоть до последних моделей LGA1200 и AM4. Потребляемая мощность процессора определяется калькулятором по его TDP. Разгон процессора не учитывается, как и его кратковременная пиковая мощность, хотя для современных процессоров она может значительно превышать TDP.

Материнская плата указывается через форм-фактор. По этому параметру добавляется определенная мощность (ATX — 70 Вт, Micro-ATX — 60 Вт, Mini-ATX — 30 Вт).

Видеокарт в списке достаточно. Мы нашли нужную GTX1650 Super. Однако не обнаружили RTX 3060Ti, хотя другие карты серии 3000 от NVIDIA присутствуют.

Память выбирается по типу и объему. Например, одна плашка DDR4 объемом 8 Гб добавляет 3 Вт.

Есть возможность добавить SSD по его объему. Выбор одного SSD на 250 Гб добавляет 15 Вт, независимо от его объема.

HDD указывается по скорости вращения шпинделя и форм-фактору. При этом HDD с 7200RPM и 3.5″ добавляет 15 Вт, что в среднем недалеко от реальности.

Результаты расчетов

Рассчитанная мощность калькулятором Сoolermaster

Измеренная потребляемая мощность ПК

Калькулятор от Shop.kz

Калькулятор примечателен своим удобным лаконичным интерфейсом. По параметрам, которые используются для расчетов, калькулятор идентичен калькулятору от Сoolermaster с той лишь разницей, что в расчете дополнительно учитываются используемые вентиляторы охлаждения и система жидкостного охлаждения.

Для конфигурации ПК1 это добавило еще 10 Вт (по 5 Вт на вентилятор) по сравнению с расчетами на калькуляторе Сoolermaster.

Результаты расчетов

Рассчитанная мощность калькулятором Shop.kz

Измеренная потребляемая мощность ПК

Калькулятор от Seasonic

Калькулятор от известного популярного производителя БП.

Данный калькулятор с красочным интерфейсом отличается от рассматриваемых тем, что в результате расчетов пользователь не получает значение мощности. Так как нет значений мощности, то и сравнивать нечего. Но Seasonic широко, а главное, положительно известна своими блоками питания. Результатом расчетов сразу же является предложение подходящих блоков питания от Seasonic.

Калькулятор от Outervision

В калькуляторе есть возможность выбора платформы, разработчики этот раздел почему-то назвали Motherboard. По умолчанию выбран Desktop, который сразу в расчет добавляет 62 Вт мощности.

Мощность процессора определяется по его TDP. Пиковая потребляемая мощность процессора не учитывается.

Однако у калькулятора есть интересная особенность — учет параметров разгона процессора (частота и напряжение питания ядер) и видеокарты.

Память выбирается по типу и объему. Кстати, для памяти частоту разгона указать не получится, что выглядит немного не логично.

Предусмотрен выбор всевозможных устройств хранения, даже дисков с интерфейсом IDE. Есть и SSD M.2. Обширный список устройств с интерфейсом PCI и PCIe и большой выбор прочих устройств, от USB до светодиодной ленты.

Все здорово, но своей видеокарты GTX 1650 Super автор не обнаружил. Выбираем 1660, а, так как она потребляет на 20 Вт больше, то в расчетном значении вычтем 20 Вт.

В итоге получаем расчетную максимальную потребляемую мощность системы, рекомендуемую минимальную мощность блока питания (Recommended PSU Wattage) и, внимание, рекомендуемую мощность источника бесперебойного питания — ИБП (Recommended UPS rating). Вот для чего мы указываем монитор.

Результаты

Рассчитанная мощность калькулятором Outervision

Измеренная потребляемая мощность ПК

*за вычетом 20 Вт на реально установленную GTX 1650 Super. В скобках указана рекомендуемая минимальная мощность БП

Считать или не считать — выводы и результаты

Подведем итог. Сведем все результаты в одну таблицу.

Измеренная мощность ПК

Калькулятор Bequiet

Калькулятор Сoolermaster

Калькулятор Outervision

Калькулятор Shop.kz

Наиболее близкую к реальности мощность показывает калькулятор от Bequiet. Его разработчики рекомендуют использовать БП в режиме нагрузки от 50 до 80 %. Я бы остановился на рекомендации в 50 % — будет некий запас на комплектующие и те режимы работы, которые не учитывает калькулятор, плюс получим выигрыш в тишине. Тогда для рассматриваемой конфигурации ПК1 будет оптимальным использование БП мощностью 400 Вт. Может показаться, что этого маловато, но надо понимать, что калькулятор предполагает использование блоков питания от Bequiet с честной выходной мощностью.

Калькулятор Bequiet прост в использовании, но не учитывает множество устройств, которые могут быть установлены, а их потребление в сумме может быть очень даже весомым.

В калькуляторе от CoolerMaster добавлена возможность указывать типоразмер материнской платы. Это добавляет определенный резерв мощности, который может пригодиться для не учтенных комплектующих. Во всем остальном он схож с Bequiet и к нему можно применять те же рекомендации по выбору БП.

Калькулятор от CoolerMaster резервирует фиксированную мощность для неучтенных комплектующих и режимов работы.

Калькулятор от Shop.kz практически не отличается от предыдущего, за исключением того, что учитывает корпусные вентиляторы охлаждения и СЖО. Но на фоне потребления процессора и видеокарты и допускаемых погрешностей это не существенно. Если, конечно, у вас не установлены десятки вентиляторов.

Как уже было сказано выше, калькулятор от Seasonic не показывает рассчитанную мощность БП. Видимо, разработчики решили не грузить пользователя техническими терминами, а сразу предложили подходящую к заданной конфигурации модель БП. Разумеется, от Seasonic. И такой вариант тоже может быть вполне востребован.

Если в ПК присутствует много дополнительных устройств, то лучше все-таки использовать калькулятор от Outervision.

Калькулятор Outervision выдает сразу рекомендуемую мощность БП. Для рассматриваемой конфигурации ПК1 калькулятор рекомендует БП мощностью 358 Вт. Округляем в большую сторону до ближайшей сотни — получаем 400 Вт.

При расчете можно учесть время использования компьютера за сутки. При этом калькулятор добавляет 5 % к рекомендуемой минимальной мощности блока питания, если ПК будет использоваться в режиме 24/7 против одного часа. Таким образом условно определяется некий запас надежности БП при круглосуточной работе ПК.

Калькулятор показывает предполагаемый ток по основным линиям БП, предлагает рассчитать экономию электроэнергии и финансовую выгоду при использовании БП с более продвинутыми сертификатами эффективности. Правда, применительно это только к БП от EVGA.

Калькулятор Outervision рассчитывает мощность источника бесперебойного питания (ИБП). Не забудьте указать диагональ используемого монитора.

Все калькуляторы в некоторой степени грешат отсутствием некоторых моделей комплектующих. Наверное обычный пользователь не станет искать схожие по характеристикам модели, анализировать и сравнивать. Если возникнет такая проблема, то скорее всего он просто откажется от калькулятора и пойдет по форумам с вопросом какой БП выбрать.

Для таких юзеров есть и другие способы определения мощности БП. Например, можно ориентироваться на рекомендации производителей видеокарт. В частности, для GTX-1650 Super рекомендуется мощность БП 450 Вт, что в общем, соответствует значениям, которые получены при помощи калькуляторов с учетом рекомендаций.

Если же в ПК не используется отдельная видеокарта, то можно смело использовать современный блок питания с минимальной мощностью 300–400 Вт. Этого будет более чем достаточно для стандартной конфигурации настольного ПК.

Принимая во внимание поправки к программам, всеми перечисленными калькуляторами можно уверенно пользоваться. Результаты получаются вполне достоверными, а рекомендации по блокам питания — жизнеспособными. Для продвинутых пользователей больше подходит Outervision благодаря куче дополнительных опций и расширенным советам. Для владельцев ПК с минимальной конфигурацией можно использовать калькуляторы от Bequiet или Сoolermaster, хотя бы просто чтобы не запутаться. В любом случае онлайн-калькуляторы являются отличным инструментом для оценки потребляемой мощности вашего ПК и помогут в выборе блока питания или даже ИБП.

Как выбрать блок питания для компьютера можно почитать тут, или тут. А для любознательных есть хорошая публикация о том, как работает БП компьютера.

В стремлении к повышению производительности любой ценой создатели суперкомпьютеров игнорируют побочные эффекты в виде чрезмерного энергопотребления и необходимости дополнительного отвода тепла, что в конечном итоге влечет за собой ограничение этой самой производительности. Без фундаментальных изменений в конструкции суперкомпьютерных систем об устойчивом росте производительности, характерном для двух последних десятилетий, можно будет забыть.

C 1992 года производительность суперкомпьютеров при выполнении научных приложений выросла в 10 тыс. раз. Однако производительность в пересчете на единицу потребляемой мощности за то же самое время увеличилась лишь в 300 раз, а в пересчете на единицу занимаемой площади— в 65 раз. В результате нехватки мощности и недостаточно эффективного использования имеющихся площадей приходится строить новые машинные залы, а в некоторых случаях— и новые здания.

Экспоненциальный рост энергопотребления вычислительными центрами стал главной причиной неэффективного использования пространства и потребляемой мощности. На рис. 1 показано, что пиковое энергопотребление крупнейших суперкомпьютеров за прошедшие полтора десятилетия значительно возросло.

Энергетический кризис суперкомпьютерной отрасли

Потребляемая мощность стала тем фактором, который заставляет разработчиков суперкомпьютеров переосмысливать их архитектуру. Поскольку отдельные узлы суперкомпьютера потребляют все больше электроэнергии и выделяют все больше тепла, их необходимо разносить в пространстве и интенсивно охлаждать. Без использования экзотических систем охлаждения перегрев приведет к тому, что суперкомпьютеры просто не смогут выполнять нужные исследователям приложения. К сожалению, стоимость построения нестандартных охлаждающих систем может быть вполне сопоставима со стоимостью самого суперкомпьютера, а их обслуживаниеобойдется еще дороже.

Нет никаких гарантий того, что суперкомпьютер никогда не сломается, и это наглядно проиллюстрировано в табл. 1. Общая стоимость владения такой техникой значительно превышает первоначальную стоимость ее приобретения.

Концепция увеличения производительности суперкомпьютеров любой ценой сегодня становится нежизнеспособной. Без внесения серьезных изменений в конструкцию роста производительности, к которому мы привыкли за последние два десятилетия, добиться не удастся. К сожалению, параметры чистой производительности не имеют никакого отношения к энергетической эффективности. В то же время показатели чистой производительности, измеряемые тестами Linpack и SPEC, оказали существенное влияние на конструкцию современных высокопроизводительных компьютерных систем. Нужны новые параметры, которые характеризовали бы конструктивные различия с точки зрения энергопотребления. Допустим, два гипотетических суперкомпьютера демонстрируют при выполнении тестов Linpack производительность в 100 TFLOPS и претендуют на высокое место в рейтинге Top500. Но при этом одна из машин оснащена аппаратными или программными средствами интеллектуального управления энергопотреблением [1, 2]. Сохраняя производительность на неизменно высоком уровне, она потребляет на 10% меньше электроэнергии, однако в рейтинге Top500 остается на той же самой строчке.

Выбор новых показателей эффективности сопряжен и с техническими, и с политическими проблемами. Что касается технической стороны, оцениваемые параметры и связанные с ними тесты должны отражать типичные для производственных систем показатели эксплуатационной нагрузки. Если же говорить о политической стороне вопроса, то показатели эффективности и тесты должны были заслужить признание всего сообщества.

Рейтинг Green500

Общение с представителями госучреждений, производителей и академических институтов убедило в необходимости определения показателей эффективности, которые позволили бы проводить справедливую оценку больших систем, предназначенных для выполнения научных программ. Было рассмотрено несколько методологий, которые могли бы найти применение при оценке энергетической эффективности суперкомпьютеров. Чтобы заручиться поддержкой сообщества, при составлении списка Green500 решено было использовать единственный параметр— потребление энергии при типичной эксплуатационной нагрузке. В перспективе же предполагалось расширить методологию Green500 с учетом рейтингов, отражающих выполнение параллельных научных приложений.

Оценка эффективности

При составлении рейтинга Green500 основными критериями оценки суперкомпьютера стали его производительность и уровень энергопотребления.

Быстродействие и эксплуатационная нагрузка. Суперкомпьютерное сообщество уже привыкло к оценке производительности на основе теста Linpack, который используется при составлении списка Top500. Хотя составители Top500 и признают, что тест Linpack не является всеобъемлющим средством оценки высокопроизводительных систем, он продолжает сохранять доминирующее положение, несмотря на появление множества других методик тестирования. По мере того как другие тесты, среди которых можно выделить SPEChpc [3] и HPC Challenge [4], будут завоевывать все более широкое признание, планируется расширять методологию Green500. Похоже, сегодня сообщество специалистов в области высокопроизводительных вычислений уже определило четко сформулированный и легко воспринимаемый способ выражения потребительских достоинств машины с помощью одного числа, поэтому для оценки быстродействия суперкомпьютера был использован показатель числа выполняемых им операций с плавающей точкой в секунду, а для измерения масштабируемости эксплуатационной нагрузки— тест Linpack.

Показатель ED n . Сейчас в мире существует множество критериев оценки производительности и эффективности. Одним из них является показатель оценки эффективности архитектуры электронных схем ED n , в котором компонент E отражает энергопотребление системы при выполнении тестов, D— время выполнения этих тестов, а n— весовую характеристику задержки. Однако применительно к суперкомпьютерам показателем EDn следует пользоваться осторожно, особенно при увеличении значения n. При больших значениях n задержка начинает играть доминирующую роль, и небольшое изменение времени выполнения оказывает на показатель весьма существенное влияние, в то время как гораздо более весомые колебания компонента E остаются практически неощутимыми.

FLOPS в пересчете на ватт. При составлении рейтинга Green500 для оценки эффективности энергопотребления использовалось соотношение между производительностью и потребляемой мощностью. Однако в этом случае преимущество получают небольшие суперкомпьютерные системы. Потребляемая мощность суперкомпьютера демонстрирует линейную зависимость от количества вычислительных узлов, в то время как производительность растет линейно лишь при обеспечении полной параллельности (добиться которой весьма затруднительно) и нелинейно с учетом всех прочих факторов. В результате, более высокие оценки по данной шкале получают небольшие системы.

Тем не менее соотношение производительности к потребляемой мощности получить очень легко, и этот показатель пользуется поддержкой в научном сообществе. А уклон в сторону небольших систем можно уменьшить путем ограничения минимальной производительности суперкомпьютеров. Можно просто установить минимальный порог для вхождения в рейтинг Green500, предоставив большим суперкомпьютерам возможность повторного выполнения теста Linpack для преодоления минимальных ограничений и оценки потребляемой мощности в ходе этого повторного тестирования. Таким образом, в рейтинге Green500 компьютеры оцениваются по мощности, потребленной в процессе выполнения некоторого фиксированного объема работ, с учетом того, что их производительность должна быть выше некоторого минимального порога.

Оценка потребляемой мощности

Даже после определения набора тестов и параметров оценки эффективности энергопотребления, вопрос определения показателя для расчета соотношения между производительностью и потребляемой мощностью по-прежнему остается нерешенным. Неясно даже, каким должен быть минимальный порог производительности для вхождения в рейтинг Green500. За минимальный порог приняты показатели производительности, продемонстрированные 500-м суперкомпьютером из последнего списка Top500.

Итак, числитель дроби известен. Осталось определить потребляемую мощность, которую следует разместить в знаменателе. Как это ни удивительно, но выявить знаменатель оказывается еще сложнее, потому что измеряемые параметры могут колебаться в достаточно широких пределах. К примеру, мы можем:

измерить общую потребляемую суперкомпьютером мощность; измерить мощность, потребляемую одним узлом, которая впоследствии экстраполируется на весь суперкомпьютер; воспользоваться заявленными производителем цифрами пиковой мощности (как это сделано на рис. 1).

Измерить мощность, потребляемую суперкомпьютером размером с баскетбольную площадку, достаточно сложно. Использование же заявленной пиковой мощности приводит к заметному завышению реальных цифр. Предлагается измерить мощность, потребляемую одним компьютерным узлом, и умножить ее на совокупное количество узлов. Под узлом в данном случае понимается шасси, заключенное в корпус и имеющее размер стандартного серверного отсека высотой 1U или стойки целиком.

Продолжительность измерений. Необходимо определить также продолжительность измерений и характер итогового отчета. С учетом записывающих возможностей счетчика предлагается измерять и регистрировать энергопотребление на протяжении всего теста Linpack, а в качестве основного показателя использовать среднюю потребляемую мощность. Сопоставив среднюю потребляемую мощность с общим временем выполнения тестов Linpack, мы можем приблизительно рассчитать совокупное энергопотребление, умножив среднюю потребляемую мощность на время.

Охлаждение. Cтоит ли включать в число оцениваемых параметров электроэнергию, которую приходится тратить на охлаждение? Мы решили не учитывать соответствующие показатели, потому что рейтинг Green500 отражает эффективность энергопотребления суперкомпьютеров, а не охлаждающих систем (энергетическая эффективность которых также варьируется в достаточно широких пределах). Но даже в случае положительного решения об учете охлаждающих факторов, проделать это на практике и учесть параметры охлаждения конкретного компьютера было бы очень сложно, поскольку системы охлаждения проектируются для обслуживания сразу всех компьютеров в машинном зале.

TOP500 против Green500

В табл. 2 показаны места, занимаемые в рейтингах Green500 и Top500 восемью суперкомпьютерами, а также оценки их производительности и максимального энергопотребления. Также представлены значения параметров, отражающих соотношение производительности к пиковой потребляемой мощности (эффективность максимального энергопотребления) и результаты выполнения тестов Linpack (эффективность среднего энергопотребления).

Как уже говорилось, использование при сравнении цифр пиковой потребляемой мощности не является оптимальным. Тем не менее, сопоставление с учетом цифр пиковой потребляемой мощности может быть весьма полезным для отслеживания повышения эффективности энергопотребления. По мере совершенствования процедуры измерению и контролю будут подвергаться все параметры.

В отчете Top500 утверждается, что пиковая потребляемая мощность суперкомпьютера IBM Blue Gene/L, находящегося в Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора, составляет 1,5 мегаватта. На сайте лаборатории сообщается, что для питания и охлаждения компьютера ASC Purple требуется 7,5 мВт, а системы Eurekalert— 8 мВт.

По данным лаборатории, на каждый ватт потребляемой мощности приходится 0,7 Вт, расходуемых на охлаждение. Таким образом, потребляемая мощность ASC Purple должна находиться на уровне 4,4-4,7 мВт, что примерно соответствует цифре в 4,5 мВт, прозвучавшей на презентации Blue Gene/L.

Гибридная система Jaguar, установленная в Национальной лаборатории в Оук-Ридже, включает в себя 56 блоков XT3 и 68 блоков XT4. Пиковая потребляемая мощность блока XT3 составляет 14,5 кВт, а T4— 18,75 кВт. Таким образом, совокупная пиковая мощность Jaguar оценивается примерно в 2 мегаватта.

Дебютировавший в июне 2005 года в рейтинге Top500 суперкомпьютер MareNostrum, оснащенный 4800 процессорами, занял там пятое место с оценочной потребляемой мощностью в 630 кВт. Модернизированная модель MareNostrum, установленная в Суперкомпьютерном центре Барселоны, представляла собой кластер BladeCenter JS21, состоящий уже из 10240 процессоров. Если экстраполировать первоначальный энергетический бюджет MareNostrum в 630 кВт на это количество процессоров, получится, что новая версия суперкомпьютера потребляет уже 1,3 мВт.

Потребляемая мощность суперкомпьютера Columbia, размещенного в центре NASA Ames Research Center, оценивается примерно в 2 мВт. Расчетная термическая мощность процессора Itanium-2 составляет 130 Вт, следовательно, 10240 процессоров Columbia потребляют 1,33 мВт. А на все остальные компоненты суперкомпьютера, исходя из общей потребляемой мощности в 2 мВт, приходится лишь около 700 кВт.

Совокупная мощность энергопотребления и охлаждения японского суперкомпьютера Earth Simulator, имеющего 5120 процессоров, оценивается в 11,9 мВт. Этого достаточно для того, чтобы обеспечить работу университета, в котором учатся 27 тыс. студентов. Все 5120 процессоров Earth Simulator объединены в восемь узлов, каждый из которых состоит из 640 процессоров. Каждому из узлов требуется мощность в 20 кВА. Предположим, что коэффициент перевода мощности равен 0,6. Тогда каждый узел потребляет 20 кВА x 0,6 = 12 кВт. Таким образом, общая потребляемая мощность суперкомпьютера, состоящего из 640 узлов, достигает 640 x 12 кВт = 7680 кВт, и еще 4220 кВт приходится на охлаждение.

Потребляемая мощность систем ASC Q и ASC White находится на уровне приблизительно 2 МВт, а компьютер System X, установленный в Вирджинском политехническом институте, и вовсе потребляет какие-то жалкие 310 кВт. По крайней мере, такие данные снимались с энергораспределительных устройств, поставляемых вместе с System X. Как показано в табл.2, несмотря на свои большие размеры, система Blue Gene/L является единственным заказным суперкомпьютером с низким энергопотреблением, вошедшим в список Top500. Соотношение между производительностью и потребляемой мощностью у него на два порядка выше, чем у остальных суперкомпьютеров из табл.2, поэтому он без труда обошел всех соперников в рейтингах Top500 и Green500.

Эффективность энергопотребления систем MareNostrum (занимающей промежуточное положение между элитными и массовыми моделями) и System X (компьютер массового потребления) оказалась в два с половиной раза выше, чем у других суперкомпьютеров, благодаря чему они заняли соответственно второе и четвертое место в июньском рейтинге Green500. Эти результаты также отражены в табл. 2. Интересно, что высокие показатели эффективности энергопотребления обоим суперкомпьютерам обеспечили процессоры массового производства PowerPC, разработанные инженерами компаний Apple, IBM и Motorola. С другой стороны, модель ASC Purple, занявшая шестое место в рейтинге Top500, также построена на основе процессора PowerPC, а точнее, его несколько менее экономичного с точки зрения энергопотребления родственника Power5. Не столь высокие показатели Power5 способствовали общему снижению эффективности потребляемой компьютером ASC Purple мощности, опустив его на шестое место в рейтинге Green500 за 2007 год.

Операционные расходы и устойчивость

Игнорирование показателей энергопотребления при проектировании привело к тому, что стоимость выполнения операций высокопроизводительными системами растет, а показатели устойчивости снижаются, что ведет к общей потере эффективности. Огромные «аппетиты» ASC Purple, выражающиеся в потреблении электрической мощности на уровне 7,5 мВт (примерно 4,5 мВт тратится на питание системы и 3 мВт— на ее охлаждение), повлекли за собой увеличение операционных расходов. Если учесть, что стоимость электроэнергии сегодня составляет около 12 центов за кВт*ч, то годовой счет за электричество, израсходованное системой, достигает почти 8 млн. долл. Построение на основе соответствующей архитектуры машины с производительностью в 1 PFLOPS приведет к тому, что на ее питание и охлаждение будет тратиться 75 мВт. А годовая плата за электричество составит 80 млн. долл., при условии что стоимость электроэнергии останется неизменной.

В табл. 1 показано, что устойчивость и надежность крупномасштабных систем, начиная с суперкомпьютеров и заканчивая крупными кластерами, зачастую измеряется в часах. Дальнейшее увеличение масштабов суперкомпьютеров и центров обработки данных приведет к тому, что каждую минуту в системе будет возникать несколько сбоев [9]. Вследствие снижения отказоустойчивости ежечасные потери будут измеряться миллионами долларов.

Учитывая вышесказанное, поставщикам высокопроизводительных систем неплохо было бы использовать наклейки EnergyGuide, напоминающие ту, что изображена на рис. 3. Кроме того, имеет смысл обратить внимание на результаты исследований, показывающих, что стоимость электроэнергии, которая ежегодно тратится на питание и охлаждение машин, уже приближается к затратам на закупку самих суперкомпьютеров.

Тема:Вычисление метрик производительности компьютерной системы. Закон Амдала, CPU время.

(оценка)

Сницарь Л. Р.

(фамилия, инициалы)

(подпись) (дата)

(фамилия, инициалы)

1.Цель работы:

Получение практических навыков по вычислению производительности и эффективности устройств ПК.

2. Постановка задачи:

Вычислить производительность устройств компьютера как с помощью инструментов встроенных в OCWindows 7, так и с установленной программой CPU-Z. Ознакомиться со способами увеличения производительности ПК.

3. Ход работы:

1.1. Оценивается производительность устройств компьютера с помощью инструментов встроенных в OCWindows 7.

1.2. Отрывается монитор ресурсов и проводится анализ ЦП, памяти и дисковых накопителей.

1.3. Формулируются рекомендации для улучшения показателей работы компьютера.

o Следует увеличить объём оперативной памяти, чтобы компенсировать относительную слабость видеокарты.

o Освободить место на диске путём архивации или удаления неиспользуемых файлов.

2.1.Устанавливается программа CPU-Zи определяются технические характеристики:

o Центрального процессора

o Материнской платы

o Оперативной памяти

3.1. Изучение и краткое описание сущности закона Амдала:

Закон Амдала (1967 год), описывает максимальный теоретический выигрыш в производительности параллельного решения поотношению к лучшему последовательному решению. Закон Амдала описывается следующей математической формулой:

где - во сколько раз можно ускорить вычисления (ускорение), n - количество процессоров (ядер), - доля последовательно вычисляемого кода ( ).

Закон Амдала, несмотря на то, что он не учитывает многих факторов, накладывает ограничения на максимально достижимую эффективность параллельного алгоритма.

Предположим, например, что , то есть две трети операций в алгоритме могут выполняться параллельно, а треть - нет. Тогда ускорение . Таким образом, независимо от количества процессоров (ядер) и даже при игнорировании всех затрат на подготовку данных нельзя ускорить решение задачи более, чем в три раза.

В ходе вычисления производительности и эффективности устройств ПК с помощью встроенных и установленной во время работы программ были получены схожие результаты – работа выполнена успешно. Получены практические навыки не только по вычислению производительности, но и оценки, анализа и сбора данных.

1. Системный монитор Windows можно использовать для анализа влияния работы программ на производительность компьютера как в реальном времени, так и посредством сбора данных журнала для последующей обработки.

2. Оценка основных характеристик компьютера.

3. Индекс производительности Windows позволяет дать оценку следующим компонентам по определённым характеристикам:

a. Процессор — количество операций вычисления в секунду

b. Оперативная память (ОЗУ) — количество операций доступа к памяти в секунду

c. 2D-графика — производительность графики для рабочего стола и 2D-игр

d. 3D-графика — производительность 3D-игр и приложений

e. Основной жёсткий диск — скорость записи и скорость чтения жёсткого диска.

4. На оценку влияет

a. 1. Производительность и количество ядер процессора.

b. 2. Объём оперативной памяти

c. 3. Объём памяти видеокарты и ее производительность

d. 4. Тип жесткого диска и интерфейс подключения

e. * * Производительность компьютера возрастает свыше 5.9 только если использовать в качестве основного диска SSD или высоко оборотистые HDD 10000rpm или 15000rpm.

5. Степпинг— номер версии изделия, в контексте компьютерного аппаратного обеспечения — номер версии архитектуры процессора или чипсета. Часто при производстве процессоров ядро впоследствии дорабатывают, исправляют имеющиеся ошибки, вносят изменения в энергосбережение, снижение тепловыделения, новые возможности и увеличение разгонного потенциала. Изменение процесса производства может дать повышение доли выхода годных кристаллов. Чем выше степпинг, тем лучше и стабильнее себя ведет процессор, но архитектура и технология производства остаются теми же.

6. CPU-Z — программа для отображения технической информации о персональном компьютере пользователя. Программа определяет технические характеристики центрального процессора, видеокарты, материнской платы и оперативной памяти, bios, кроме жесткого диска.

7. ОС Microsoft Windows начиная с версии Windows 98. Выпускается также специальная версия под Android.

Читайте также: