Übersicht. Ziele und Maße. Leistungsgrößen. Übersicht. Dr.-Ing. Volkmar Sieh WS 2008/2009. Leistungsgrößen wichtig für

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1 Ziele und Maße Dr.-Ing. Volkmar Sieh Institut für Informatik 3: Rechnerarchitektur Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg WS 2008/2009 Ziele und Maße 1/ Ziele und Maße 2/ Leistungsgrößen Leistungsgrößen wichtig für Kaufentscheidungen welches ist die beste Maschine? welches ist die beste Maschine für mein Geld? Designentscheidungen welches Design führt zur besten Maschine? welches Design führt kostengünstig/unter Einhaltung von bestimmten Kosten zur besten Maschine? Beides benötigt Basis für Vergleiche Metrik für Bewertungen Ziele und Maße 3/ Ziele und Maße 4/

2 Leistungsgrößen Beispiel (Flugzeuge): Typ Passagiere Reichweite Geschwindigkeit (mi) (mph) Boeing Boeing Concorde Douglas DC Viele weitere Größen denkbar (Kosten, Verbrauch, Lebensdauer,...) Ziele und Maße 5/ Ziele und Maße 6/ Leistungsgrößen MIPS / MFLOPS Leistungsgrößen für Computer (Beispiele): Raten: MIPS, MFLOPS CPU-Performance oder CPU-Durchsatz Latenz (Antwortzeit) Beschleunigung / Speed up Summarische Bewertung: Benchmarks Definition MIPS / MFLOPS: MIPS: Million Instructions per Second MFLOPS: Million Floating Point Operations per Second Mehr MIPS / MFLOPS = kürzere Ausführungszeit? Ziele und Maße 7/ Ziele und Maße 8/

3 Ausführungszeiten Ausführungszeiten Gesamtzeit zählt alles (Platten- und Speicherzugriffe, I/O,...) interessante Zahl aber häufig unbrauchbar für Vergleiche CPU-Zeit zählt nur die Zeit, die die CPU für die Anwendung gerechnet hat kann in System-Zeit und User-Zeit unterteilt werden User-CPU-Zeit Zeit, die die CPU gebraucht hat, mein Programm abzuarbeiten mein Programm sollte repräsentativ für Workload sein CPU-Performance = 1 / CPU-Zeit Ziele und Maße 9/ Ziele und Maße 10/ Ausführungszeiten Ausführungszeiten Die Ausführung eines Programms braucht eine bestimmte Anzahl von auszuführenden Instruktionen (IC) eine bestimmte, mittlere Anzahl von Takten pro Instruktion (CPI) eine Taktdauer (T) CPU-Zeit = IC * CPI * T Häufig: falsche Annahme, dass eine dieser Zahlen allein etwas über die Performance eines Systems aussagt. Um die Performance eines Systems zu erhöhen, kann man verringern die Anzahl der auszuführenden Instruktionen besserer Algorithmus besserer Compiler mächtigere Befehle (z.b. 16bit -> 32bit) die Anzahl von Takten pro Instruktion parallele Ausführung von Teilen einer Instruktion parallele Ausführung mehrerer Instruktionen die Anzahl von Sekunden pro Takt Verbesserung der Technologie Ziele und Maße 11/ Ziele und Maße 12/

4 Ausführungszeiten CPU-Durchsatz Anzahl der Instruktionen = Anzahl der Taktzyklen? i.a. nein: Multiplikation/Division benötigen mehr Zeit als Addition/Subtraktion. Fließkomma-Operationen benötigen mehr Zeit als Integer-Operationen. Operationen mit Speicherzugriffen benötigen mehr Zeit als Operationen mit Register-Zugriffen.... CPU-Durchsatz Wie viele Jobs kann die Maschine zugleich bearbeiten? Wie lange braucht ein Job im Mittel? Wieviel Arbeit ist pro Tag erledigt? => CPI ist ein Durchschnittswert Eine Erhöhung der Taktrate kann bedeuten, dass einige Befehle mehr Takte zur Ausführung benötigen, da z.b. das Rechenwerk Ergebnisse nicht mehr rechtzeitig liefern kann. Ziele und Maße 13/ Ziele und Maße 14/ Latenzzeiten Speed-Up Verbesserungen ergeben: Antwortzeit / Latenzzeit Beispiel: Wie lange muss ich auf die Antwort einer Datenbankanfrage warten? Wie lange dauert es, bis mein Job drankommt? Wie lange rechnet mein Job? T u von Verbesserung unbeeinflusste Ausführungszeit T e von Verbesserung beeinflusste Ausführungszeit T 1 Ausführungszeit nach Verbesserung I Verbesserung T 1 = T u + T e /I Prinzip: den Normalfall beschleunigen Ziele und Maße 15/ Ziele und Maße 16/

5 Speed-Up Speed-Up - Amdahl s Law Amdahl s Law: Definition Speed-Up: T 0 Ausführungszeit vor Verbesserung T 1 Ausführungszeit nach Verbesserung Speed-Up = T 0 /T 1 T e von Verbesserung beeinflusste Ausführungszeit T 0 Ausführungszeit vor Verbesserung I Verbesserung Speed-Up = 1/((1 β) +β/i) Mit β = T e /T 0 Ziele und Maße 17/ Ziele und Maße 18/ Speed-Up - Amdahl s Law Speed-Up - Amdahl s Law Beispiel für I = 10: Sonderfälle: fürβ= 0 gilt: Speed-Up = 1 fürβ= 1 gilt: Speed-Up = I für sehr große I gilt: Speed-Up = 1/(1 β) Ziele und Maße 19/ Ziele und Maße 20/

6 Speed-Up - Amdahl s Law Speed-Up - Amdahl s Law Beispiel für extrem großes I: Beispiel: Die Floating-Point-Einheit eines Rechners wird verbessert, sodass alle Floating-Point-Operationen fünf mal schneller ablaufen. Wenn die Ausführunsdauer eines Programms vor der Verbesserung 10 Sekunden betrug, wie gross wird der Speed-Up sein, wenn das Programm die Hälfte der 10 Sekunden mit Floating-Point-Operationen verbracht hat? Ziele und Maße 21/ Ziele und Maße 22/ Parallelrechner-Speed-Up Parallelrechner-Speed-Up Parallelrechner-Speed-Up: T e von Verbesserung beeinflusste Ausführungszeit = die Zeit, die im parallelisierbarem Code gerechnet wurde T 0 Ausführungszeit vor Verbesserung = die Zeit, die im Gesamt-Code gerechnet wurde I Verbesserung (Anzahl der Prozessoren) Speed-Up = 1/((1 β) + (β/i)) Mit Beispiel für Parallelrechner-Speed-Up (ASCI Option Red): Anzahl Prozessoren β Speed-Up Obwohl im letzten Beispiel >9000 Prozessoren eingesetzt wurden, obwohl der Parallelisierungsgrad 99% beträgt, ist das Programm nur 99mal schneller. β = T e /T 0 Ziele und Maße 23/ Ziele und Maße 24/

7 Speed-Up - Gustafson s Law Parallelrechner-Speed-Up Umkehrung des Gesetzes von Amdahl: Ein Single-Prozessor-Rechner würde T 1 = T u + N T e Zeiteinheiten brauchen, um die Aufgabe des Parallelrechners zu berechnen. Daraus ergibt sich für den Speed-Up des Parallelrechners: Speed-Up = Tu+NT e T u+t e Nach Umformen und mitβ = Speed-Up = 1 + (N 1)β T e T : e +Tu Amdal s Law ist nur eine Idealisierung für Parallelrechner. Zusatzaufwand fällt bei der Parallelisierung an für die Verteilung der Aufgaben das Einsammeln der Ergebnisse ggf für die Koordinierung der Zugriffe (Mit T e = T e /N ergibt sich Amdahl s Law!) Ziele und Maße 25/ Ziele und Maße 26/ Netzwerk Interessante Zahlen für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen: Latenzzeit: wie lange dauert es (minimal), bis eine gesendete Nachricht beim Empfänger empfangen wird Bandbreite: wie viele Bytes können pro Zeiteinheit (maximal) über die Verbindung verschickt werden Ziele und Maße 27/ Ziele und Maße 28/

8 Bisektions-Bandbreite Bisektions-Bandbreite Zahlen für logische Punkt-zu-Punkt-Verbindungen im Parallelrechner-Netzwerk kaum sinnvoll andere Punkt-zu-Punkt-Verbindungen kreuzen (laufen über gleiche Knoten) andere Punkt-zu-Punkt-Verbindungen nutzen gleiche physikalische Verbindungen => Bisektions-Bandbreite Ziele und Maße 29/ Ziele und Maße 30/ Leistungsaufnahme Leistungsaufnahme interessant bei mobilen Rechnern Kühlungsproblemen z.b. viele Komponenten mit hoher Leistungsaufnahme auf kleinem Raum Leistungsaufnahme = Wärmeabgabe! Ziele und Maße 31/ Ziele und Maße 32/

9 Leistungsaufnahme Leistungsaufnahme Leistungsaufnahme reduzierbar durch verbesserte Technologie (z.b. low-voltage, besseres Layout) Komponenten mit geringer Leistungsaufnahme aufgrund verbesserter interner Stukturen zeitweilig abgeschalteten Komponenten (z.b. Platten) zeitweilig ungenutzten Komponenten (z.b. Netzwerk) Komponenten mit steuerbarer Leistungsaufnahme (Taktfrequenz) Leistungsaufnahme i.a. gemessen in Watt (W ) oder Volt-Ampere (VA) heutige Standard-PCs benötigen Netzteile mit ca. 300W Leistung interessanter ist jedoch die Energie, die für eine bestimmte Aufgabe in Wärme umgesetzt wird Energie i.a. gemessen in Joule (J oder Ws) Ziele und Maße 33/ Ziele und Maße 34/ Leistungsaufnahme Leistungsaufnahme bzw. Kühlung wird mehr und mehr zum kritischen Engpass bei High-Performance-Komponenten. hohe Leistungsaufnahme dicke Stromversorgungsleitungen und viele/dicke Pins hohe Kühlleistung große Luftströme und damit große Gehäuse oder aufwändige Wasserkühlung Wärme ist bei modernen Chips kaum noch ableitbar! Ziele und Maße 35/ Ziele und Maße 36/

10 Skalierbarkeit Systeme sollen leicht erweiterbar sein. die Performance die Größe soll steigen. Aufgrund der Erweiterung dürfen die Verfügbarkeit die Wartbarkeit... nicht leiden. Die Probleme vergrößern sich mit der Größe der Systeme! Ziele und Maße 37/ Ziele und Maße 38/ Sicherheit Möglichkeiten: Mikro-Controller schreibt keine ungecrypteten Daten in den Speicher Input/Output ungecryptet Speicherzugriffe gecryptet Programm intern im Mikro-Controller; nicht auslesbar spezielle Crypto-Chips helfen beim Ver-/Entschlüsseln (i.a. beim Netzwerk-Senden/Empfangen) Chips aktivieren sich erst, wenn sie bestimmten Code empfangen haben (z.b. DVD-Laufwerke)... Sicherheit nicht meßbar ; (i.a. unsicherer) boolescher Wert Ziele und Maße 39/ Ziele und Maße 40/

11 Zuverlässigkeit Definitionen Definition: Zuverlässigkeit ist die Eigenschaft eines Systems, dass Vertrauen in die gelieferte Funktionalität gerechtfertigt ist. Zuverlässigkeit ist wie Performance eine QoS (Quality of Service)- Eigenschaft eines Systems. Fault Fehlerursache (z.b. Blitzeinschlag) Error fehlerhafter Zustand (z.b. falsches Bit im Speicher) Failure Ausfall (z.b. Crash des OS) Ziele und Maße 41/ Ziele und Maße 42/ Zuverlässigkeitsgrößen Zuverlässigkeitsgrößen Fault Rate/Fehlerrate Anzahl der Fehlerursachen pro Zeiteinheit Failure Rate/Ausfallrate Anzahl der Ausfälle pro Zeiteinheit Damit verwandt: Mean Time To Failure (MTTF) Mean Time Between Failures (MTBF) Mean Time To Repair (MTTR) (Mean Time Between Repairs (MTBR)) Zuverlässigkeit ist normalerweise beschrieben durch verschiedene Zuverlässigkeitsgrößen. Ziele und Maße 43/ Ziele und Maße 44/

12 Zuverlässigkeitsgrößen Zuverlässigkeitsgrößen Reliability/Überlebenswahrscheinlichkeit Maß für kontinuierlichen, korrekten Service (Zuverlässigkeit in Hinsicht auf Kontinuität des Service) R(t): Wahrscheinlichkeit, dass das System nach der Zeit t noch funktioniert unter der Voraussetzung, dass es zum Zeitpunkt 0 funktioniert hat Unter der Annahme, dass Ausfallrate (λ) zeitunabhängig ist, gilt R(t) = e λt Availability/Verfügbarkeit Maß für korrekten Service der u.u. unterbrochen wird (Zuverlässigkeit in Hinsicht auf Verfügbarkeit eines Service) A(t): Wahrscheinlichkeit, dass das System zum Zeitpunkt t gerade funktioniert A(t) wird i.a. als konstant angenommen Ziele und Maße 45/ Ziele und Maße 46/ Zuverlässigkeitsgrößen Zuverlässigkeitsgrößen Safety/Sicherheit Maß für korrekten Service oder nicht-katastophale Fehler (Zuverlässigkeit in Hinsicht auf das Nicht-Auftreten von katastophalem Fehlverhalten) Wahrscheinlichkeit, dass das System trotz Auftreten eines internen Fehlers keinen katastrophalen Ausfall erleidet (bedingte Wahrscheinlichkeit) Robustness/Robustheit Maß für das noch korrekte Verhalten eines Systems unter dem Einfluss von fehlerhaften Eingaben oder gefährlichen Umgebungseinflüssen Wahrscheinlichkeit, dass das System trotz Auftreten eines (internen) Fehlers keinen Ausfall erleidet und keine fehlerhaften Ausgaben produziert (bedingte Wahrscheinlichkeit) Ziele und Maße 47/ Ziele und Maße 48/

13 Zuverlässigkeitsgrößen Zuverlässigkeitsgrößen Security/Sicherheit Zuverlässigkeit in Bezug auf das Verhindern von unerlaubtem Zugriff auf Informationen boolescher Wert Maintainability/Wartbarkeit Maß für den Aufwand ein System funktionsfähig zu halten bzw. zu reparieren Wartbarkeit beschreibbar z.b. durch die Anzahl von Arbeitsstunden pro Jahr, die für die Wartung notwendig sind Ziele und Maße 49/ Ziele und Maße 50/ Kompatibilität Kompatibilität: alte Software soll weiterhin funktionieren aber: neuer Rechner i.a. schneller => eigentlich inkompatibel alte I/O-Geräte sollen anschließbar bleiben Ziele und Maße 51/ Ziele und Maße 52/