Подробно и просто о процессорах для персонального компьютера

Сколько операций в секунду выполняет процессор

Терафлопс (TFLOPS) — величина, используемая для измерения производительности компьютеров, показывающая, сколько операций с плавающей запятой в секунду выполняет данная вычислительная система. 1 терафлопс = 1 триллион операций в секунду = 1000 миллиардов операций в секунду. Обычно имеются в виду операции над плавающими числами размера 64 бита в формате IEEE 754.

TFLOPS = 1012 FLOPS = 103 GFLOPS

Чтобы найти пиковую производительность ЭВМ R, терафлопс, нужно тактовую частоту F, МГц, умножить на число процессоров (процессорных ядер) n, домножить на количество инструкций с плавающей запятой на такт (4 для процессоров Core2 — 2 операции Float Multiple Add) и поделить на 1******0:

Так, например, пиковая производительность компьютера на базе двухъядерного процессора AMD Phenom 9500 sAM2+ с тактовой частотой 2,2 ГГц равна:

2200 МГц × 2 ядра × 4×10-6 = 17,6 млрд операций в секунду = 0,0176 терафлопс.

Для четырехядерного процессора Core 2 Quad Q6600:

2400 МГц × 4 ядра × 4×10-6 = 38,4 млрд операций в секунду = 0,0384 терафлопс.

Скопипастено с Википедии

Т.е. находите нужные данные для своего процессора, подставляете их в формулу и находите кол-во операций в секунду.

Для моего Intel Pentium 4:
3000 х 1 х 2 х 10-6 = 6 млрд операций в секунду = 0.006 терафлопс.

В конце прошлого века для описания мощных и производительных вычислительных машин применялся термин «суперкомпьютер». Такие устройства стоили очень дорого и были довольно громоздкими. Иногда суперкомпьютер занимал несколько комнат и требовал специальный температурный режим для работы.

Для оценки производительности и сравнения таких вычислительных машин ввели термин «FLOPS»

История появления процессора

Первые компьютерные процессоры, основу которых составляло механическое реле, появились в пятидесятых годах прошлого века. Спустя какое-то время появились модели с электронными лампами, которые в итоге были заменены на транзисторы. Сами же компьютеры представляли собой довольно габаритные и дорогостоящие устройства.

Последующее развитие процессоров свелось к тому, что было принято решение входящие в них компоненты, представить в одной микросхеме. Позволило осуществить данную задумку появление интегральных полупроводниковых схем.

В 1969 г. компания Busicom заказала двенадцать микросхем у Intel , которые они планировали использовать в собственной разработке – в настольном калькуляторе. Уже в то время разработчиков Intel посещала идея заменить несколько микросхем одной. Идею одобрило руководство корпорации, поскольку подобная технология позволяла существенно сократить расходы на производстве микросхем, при этом у специалистов появилась возможность сделать процессор универсальным для использования его в других вычислительных устройствах.

В результате чего появился первый микропроцессор Intel 4004, который выполнял 60 тыс. операций в секунду.

Логика микропроцессора

Чтобы понять, как работает микропроцессор, следует изучить логику, на которой он основан, а также познакомиться с языком ассемблера. Это родной язык микропроцессора.

Микропроцессор способен выполнять определенный набор машинных инструкций (команд). Оперируя этими командами, процессор выполняет три основные задачи:

• C помощью своего арифметико-логического устройства, процессор выполняет математические действия: сложение, вычитание, умножение и деление. Современные микропроцессоры полностью поддерживают операции с плавающей точкой (с помощью специального арифметического процессора операций с плавающей точкой)
• Микропроцессор способен перемещать данные из одного типа памяти в другой
• Микропроцессор обладает способностью принимать решение и, на основании принятого им решения, «перепрыгивать», то есть переключаться на выполнение нового набора команд

• Address bus (адресную шину). Ширина этой шины может составлять 8, 16 или 32 бита. Она занимается отправкой адреса в память
• Data bus (шину данных): шириной 8, 16, 32 или 64 бита. Эта шина может отправлять данные в память или принимать их из памяти. Когда говорят о «битности» процессора, речь идет о ширине шины данных
• Каналы RD (read, чтения) и WR (write, записи), обеспечивающие взаимодействие с памятью
• Clock line (шина синхронизирующих импульсов), обеспечивающая такты процессора
• Reset line (шина стирания, шина сброса), обнуляющая значение счетчика команд и перезапускающая выполнение инструкций

Поскольку информация достаточно сложна, будем исходить из того, что ширина обеих шин — и адресной и шины данных — составляет всего 8 бит. И кратко рассмотрим компоненты этого сравнительно простого микропроцессора:

• Регистры A, B и C являются логическими микросхемами, используемыми для промежуточного хранения данных
• Address latch (защелка адреса) подобна регистрам A, B и C
• Счетчик команд является логической микросхемой (защелкой), способной приращивать значение на единицу за один шаг (если им получена соответствующая команда) и обнулять значение (при условии получения соответствующей команды)
• ALU (арифметико-логическое устройство) может осуществлять между 8-битными числами действия сложения, вычитания, умножения и деления или выступать в роли обычного сумматора
• Test register (тестовый регистр) является специальной защелкой, которая хранит результаты операций сравнения, производимых АЛУ. Обычно АЛУ сравнивает два числа и определяет, равны ли они или одно из них больше другого. Тестовый регистр способен также хранить бит переноса последнего действия сумматора. Он хранит эти значения в триггерной схеме. В дальнейшем эти значения могут использоваться дешифратором команд для принятия решений
• Шесть блоков на диаграмме отмечены, как «3-State». Это буферы сортировки. Множество источников вывода могут быть соединены с проводом, но буфер сортировки позволяет только одному из них (в один момент времени) передавать значение: «0» или «1». Таким образом буфер сортировки умеет пропускать значения или перекрывать источнику вывода возможность передавать данные
• Регистр команд (instruction register) и дешифратор команд (instruction decoder) держат все вышеперечисленные компоненты под контролем

На данной диаграмме не отображены линии управления дешифратора команд, которые можно выразить в виде следующих «приказов»:

• «Регистру A принять значение, поступающее в настоящий момент от шины данных»
• «Регистру B принять значение, поступающее в настоящий момент от шины данных»
• «Регистру C принять значение, поступающее в настоящий момент от арифметико-логического устройства»
• «Регистру счетчика команд принять значение, поступающее в настоящий момент от шины данных»
• «Адресному регистру принять значение, поступающее в настоящий момент от шины данных»
• «Регистру команд принять значение, поступающее в настоящий момент от шины данных»
• «Счетчику команд увеличить значение [на единицу]»
• «Счетчику команд обнулиться»
• «Активировать один из из шести буферов сортировки» (шесть отдельных линий управления)
• «Сообщить арифметико-логическому устройству, какую операцию ему выполнять»
• «Тестовому регистру принять тестовые биты из АЛУ»
• «Активировать RD (канал чтения)»
• «Активировать WR (канал записи)»

В дешифратор команд поступают биты данных из тестового регистра, канала синхронизации, а также из регистра команд. Если максимально упростить описание задач дешифратора инструкций, то можно сказать, что именно этот модуль «подсказывает» процессору, что необходимо сделать в данный момент.

Компьютерный час

На этом этапе мы переходим от человеческих наносекунд к микросекундам: компьютерный час равен 1.44 мкс.

Может выполниться пузырьковая сортировка небольшого массива, когда-то написанная мной в образовательных целях. (вдумайтесь: если процессор каждую секунду делает по простому действию, то для сортировки маленького массива ему понадобятся часы!)

За десяток-другой часов процессор может запросить и получить данные у достаточно производительного SSD.

Сколько операций в секунду современный компьютер может выводить?

Если уже вы начали говорить о количестве операций в секунду, то могу сказать, что в этом случае мощность компьютеров меряется в flops, т.е в количестве операций с плавающей точкой в секунду (по простому что-то типа обычного десятичного числа, в форме типо 51,1535434 ). Почему именно числа с плавающей точной объяснять не буду, т.к. читать курс компьютерной арифметики нет желания

Для действительно огромных вычислений уже давно люди создали и до сих пор разрабатывают все более мощные «суперкомпьютеры». Их используют в специфических целях, например для прогноза погоды, моделирования ядерных взрывов, к примеру установив суперкомпьютер в систему водоснабжения, можно сделать так, что он будет проводить мониторинг, анализировать полученные данные и будет выявлять вероятные проблемы еще задолго до их возникновения.

На сегодняшний день самым мощным суперкомпьютером( ru.wikipedia.org/wiki/Суперком… ) является Jaguar( ru.wikipedia.org/wiki/Jaguar_(суперкомпьютер) ), его производительность( top500.org/lists/2009/11/press… ) 1.75 petaflop/s, а максимально теоретически возможная 2,3 петафлопс (приставка пета это *10^15, т.е. 1 750 000 000 000 000 операций с плавающей точкой в 1 секунду).

Только в случае суперкомпьютеров такое измерение производительности не всегда является корректным, т.к. количество операция в секунду зависит от типа задачи выполняемой этим компьютером, возможен такой вариант, что суперкомпьютеру для выполнения задачи нужно часто обращаться к периферийным устройствам(например проводить какой-то мониторинг, как с системой водоснабжения) или считывать, или записывать много информации, тогда у него явно будет производительность, измеряемая в флопсах ниже, т.к. это не основная его цель.

Современный настольный компьютер имеет производительность порядка 0.1 Терафлопс.

Но если говорить об обычных, настольных компьютерах, то здесь тоже количество операций в секунду не всегда решающий фактор, т.к. если компьютер предназначен для игр, то ему более важна производительность видеокарты, а не процессора. И опятьже это зависит от задачи, поставленной компьютеру. Серверные компьютерыы будут быстрее в этом плане, т.к. обычно напичканы более дорогими игрушками, да они и созданы для таких вещей. Сегодня при желании можно в компьютер поставить 2 восьмиядерных процессора (core i7).

Как повысить частоту?

Мало кто знает, но мощность процессора можно повысить. Как увеличить производительность CPU? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно понять от чего она зависит. Тактовая частота прямо пропорциональна произведению множителя, который закладывается при проектировании, на частоту шины. Причем встречаются два вида множителей – заблокированные и открытые. Не трудно понять, что первые не поддаются разгону.

Процедура увеличения тактовой частоты проводится на устройствах с разблокированным множителем. Для того, чтобы произвести разгон необходимо обладать специальными знаниями, уметь работать с БИОС и знать английский язык (хотя бы уметь читать). Процедура увеличения частоты довольно-таки сложна и неопытные пользователи вряд ли смогут ее произвести без негативных последствий для ПК. Если вкратце, то суть разгона в том, чтобы постепенно увеличивать частоту шины процессора через вышеупомянутый множитель.

Важно! Разгон CPU – опасная процедура, которая может негативно сказаться на компьютере, а то и вовсе вывести его из строя. Это связано с тем, что при повышении частоты процессор начинает сильнее нагреваться. Соответственно, если у вас слабая система охлаждения, то CPU может попросту сгореть.

Принцип работы процессорных ядер и многопоточности

В современных операционных системах одновременно работает множество процессов.
Нагрузка от операционной системы на процессор идет по так называемому конвейеру, на который «выкладываются» нужные задачи для ядра. В качестве примера возьмем одно ядро процессора на частоте 4 ГГц с одним ALU (арифметико-логическое устройство) и одним FPU (математический сопроцеесор). Частота в 4 ГГц означает, что ядро исполняет 4 миллиарда тактов в секунду. К ядру по конвейеру поступают задачи, требующие исполнительной мощности, на которые тратится процессорное время.

Часто происходят случаи, когда для выполнения необходимой операции процессору приходится ждать данные из кеша более низкой скорости (L3 кеш), или же оперативной памяти. Данная ситуация называется кэш-промах. Это происходит, когда в кэше ядра не была найдена запрошенная информация и приходится обращаться к более медленной памяти. Также существуют и другие причины, заставляющие прерывать выполнение операции ядром, что негативно сказывается на производительности.

Данный конвейер можно представить, как настоящую сборочную линию на заводе — рабочий (ядро) выполняет работу, поступающую к нему на ленту. И если необходимо взять нужный инструмент, работник отходит, оставляя конвейер простаивать без работы. То есть, исполняемая задача прерывается. Инструментом, за которым пошел рабочий, в данном случае является информация из оперативной памяти или же L3 кэша. Поскольку L1 и L2 кэш намного быстрее, чем любая другая память в компьютере, работа с вычислениями теряет в скорости.

На конвейере с одним потоком не могут выполняться одновременно несколько процессов. Ядро постоянно прерывает выполнение одной операции для другой, более приоритетной. Если появятся две одинаково приоритетные задачи, одна из них обязательно будет остановлена, ведь ядро не сможет работать над ними одновременно. И чем больше поступает задач одновременно, тем больше прерываний происходит.

Подробный разбор

ТЧ измеряет количество задач, которые может обработать процессор за одну секунду. Величину измеряют в Герцах (в честь фамилии учёного). Гц обозначают количество повторений операций в секунду. Также, ею можно измерить и другие показатели. Если вы совершаете 2 вдоха за одну секунду, значит ваша частота дыхания равна двум Герцам.

Существует два вида тактовой частоты:

• внешняя (скорость обмена данными от процессора к оперативной памяти);
• внутренняя (влияет на качество и быстроту вычислений внутри самого процессора).

В процессоре выполняются различные операции, которые вычисляют те или иные параметры. Эти вычисления и есть ТЧ.

Сама единица Гц (Герц), встречается редко. В основном для обозначения берутся мегаГерцы, килоГерцы и т.д.

Например, если вы услышали, что в процессоре 4ГГц, то это значит, что он может обрабатывать до четырех миллиардов вычислений в секунду. Сегодня, такие показатели являются средними. Скоро частота в тераГерц, станет стандартом для процессоров.