Прискорення (комп'ютерна архітектура)

У комп'ютерній архітектурі, прискорення це процес для збільшення продуктивності між двома системами що працюють над однією проблемою. Технічно це підвищення швидкості виконання завдання на двох однакових архітектурах з різними ресурсами. Поняття прискорення побудоване на законі Амдала, який був зосереджений на паралельних обчисленнях. Проте, прискорення може бути використане у більш загальному плані, щоб показати вплив на продуктивність після будь-якого збільшення ресурсів.  

У Вікіпедії є статті про інші значення цього терміна: Прискорення (значення).

Визначення

Прискорення може бути визначене для двох типів величин: очікування та пропускної здатності.^[1]

Очікування архітектури є обернено пропорційним швидкості виконання поставленого завдання:

${\displaystyle L={\frac {1}{v}}={\frac {T}{W}},}$

де

• v - це швидкість виконання завдання;
• T — це час виконання завдання;
• W — це виконання робочого навантаження завданням.

Пропускна здатність такої архітектури є швидкість виконання завдання:

${\displaystyle Q=\rho vA={\frac {\rho AW}{T}}={\frac {\rho A}{L}},}$

де

• ρ — це щільність виконання;
• A — це потужність виконання(тобто, кількість процесорів для паралельної архітектури)^[1]

Затримка часто вимірюється у секундах на одиницю виконання робочого навантаження. Пропускна здатність часто вимірюється в секундах на одиницю виконання робочого навантаження. Іншою часто використовуваною одиницею вимірювання пропускної здатності є кількість інструкцій за такт. Його обернена пропорційність, кількість тактів за інструкцію, є ще одним частим блоком затримки.

Прискорення є безрозмірним і визначається по різному для кожного типу величини, таким чином воно є послідовною метрикою.

Прискорення в затримці

Прискорення у затримці визначається за такою формулою:^[2]

${\displaystyle S_{\text{latency}}={\frac {L_{1}}{L_{2}}}={\frac {T_{1}W_{2}}{T_{2}W_{1}}},}$

де

• Slatency — це прискорення в затримці архітектури 2 по відношенню до архітектури 1;
• L₁ — це затримка в архітектурі 1 ;
• L₂ — це затримка в архітектурі 2.

Прискорення в затримці може бути передбачене за законом Амдаля або законом Густафсона.

Прискорення у пропускній здатності

Прискорення у пропускній здатності визначається за такою формулою:^[3]

${\displaystyle S_{\text{throughput}}={\frac {Q_{2}}{Q_{1}}}={\frac {\rho _{2}A_{2}T_{1}W_{2}}{\rho _{1}A_{1}T_{2}W_{1}}}={\frac {\rho _{2}A_{2}}{\rho _{1}A_{1}}}S_{\text{latency}},}$

де

• S_throughput — це прискорення у пропускній здатності архітектури 2 по відношенню до архітектури 1;
• Q₁ — це пропускна здатність архітектури 1;
• Q₂ — це пропускна здатність архітектури 2.

Приклади

Використання часу виконання

Ми тестуємо ефективність гілки прогнозування під час виконання програми. Спочатку, ми виконуємо програму з стандартною гілкою прогнозування в процесорі, що виконується 2,25 секунд. Далі, ми виконаємо програму з нашою модифікованою (та сподіваємося покращеною) гілкою прогнозування на тому самому процесорі, який показав час виконання 1,50 секунди. В обох випадках навантаження виконання таке саме. Використовуючи нашу формулу прискорення ми знаємо що:

${\displaystyle S_{\text{latency}}={\frac {L_{\text{old}}}{L_{\text{new}}}}={\frac {2.25~\mathrm {s} }{1.50~\mathrm {s} }}=1.5.}$

Наша нова гілка прогнозування надала 1,5х прискорення порівняно з оригіналом.

Використання тактів за інструкцію та інструкцій за такт

Ми також можемо використовувати прискорення у тактах за інструкцію, яке є затримкою. Спочатку, ми виконаємо програму із стандартною гілкою прогнозування, що дає 3 такти за інструкцію. Далі, ми виконаємо програму з нашою модифікованою гілкою прогнозування, яка дає 2 такти за інструкцію. В обох випадках навантаження виконання однакове та обидві архітектури не паралельні одна одній. Використовуючи формулу прискорення маємо:

${\displaystyle S_{\text{latency}}={\frac {L_{\text{old}}}{L_{\text{new}}}}={\frac {3~{\text{CPI}}}{2~{\text{CPI}}}}=1.5.}$

Також ми можемо виміряти прискорення в інструкції за такт, яка є пропускною здатністю та обернено пропорційна такту за інструкцію. Використовуючи формулу прискорення маємо:

${\displaystyle S_{\text{throughput}}={\frac {Q_{\text{new}}}{Q_{\text{old}}}}={\frac {0.5~{\text{IPC}}}{0.33~{\text{IPC}}}}=1.5.}$

Ми досягли того ж прискорення 1,5х хоча вимірювали різні величини.

Додаткові деталі

Нехай S буде прискоренням виконання завдання та s прискорення виконання тієї частини програми, що корисна для покращення ресурсів архітектури. Лінійне прискорення або ідеальне прискорення виходить при S=s.Коли задача виконується з лінійним прискоренням, то локальне прискорення збільшує вдвічі загальне прискорення. Як ідеальний варіант, це вважається дуже хорошою масштабованістю.

Ефективність як метрика використання ресурсів модифікованої системи визначається як:

${\displaystyle \eta ={\frac {S}{s}}.}$

Його величина зазвичай становить від 0 до 1. Програми з лінійним прискоренням та програми що працюють з одним процесором мають ККД 1, у той час як багато важких до розпаралелення програм мають ККД 1/ln(s), що наближено до 0, якщо кількість процесорів A=s збільшується.^[1]

В технічних умовах,криві ефективності частіше використовуються для графів,ніж криві прискорення,так як

• всі області графу корисні(коли в кривих прискорення половина місця витрачається даремно);
• Легше побачити як добре працює вдосконалення системи;

• Не має необхідності будувати криву "ідеального прискорення";

В маркетинговому контексті,криві прискорення використовуються частіше,в основному тому що вони йдуть вгору та вправо і, таким чином, є краще до менш інформованого.

Примітки

1. Martin, Milo. Performance and Benchmarking (PDF). Архів оригіналу (PDF) за 3 грудня 2015. Процитовано 5 червня 2014.
2. Hennessy, John L.; David A., Patterson (2012). Computer Architecture: A Quantitive Approach. Waltham, MA: Morgan Kaufmann. с. 46–47. ISBN 978-0-12-383872-8.
3. Baer, Jean-Loup (2010). Microprocessor Architecture: From Simple Pipelines to Chip Multiprocessors. New York: Cambridge University Press. с. 10. ISBN 978-0-521-76992-1.