Флоп

Производительность суперкомпьютеров
Название	год	FLOPS
флопс	1941	100
килофлопс	1949	103
мегафлопс	1964	106
гигафлопс	1987	109
терафлопс	1997	1012
петафлопс	2008	1015
эксафлопс	−	1018
зеттафлопс	−	1021
йоттафлопс	−	1024
ксерафлопс	−	1027

FLOPS (или flops или flop/s)(акроним от англ. Floating point Operations Per Second, произносится как флопс) — величина, используемая для измерения производительности компьютеров, показывающая, сколько операций с плавающей запятой в секунду выполняет данная вычислительная система.

Поскольку современные компьютеры обладают высоким уровнем производительности, более распространены производные величины от FLOPS, образуемые путём использования стандартных приставок системы СИ.

Флопс как мера производительности

Как и большинство других показателей производительности, данная величина определяется путём запуска на испытуемом компьютере тестовой программы, которая решает задачу с известным количеством операций и подсчитывает время, за которое она была решена. Наиболее популярным тестом производительности на сегодняшний день является программа LINPACK, используемая, в том числе, при составлении рейтинга суперкомпьютеров TOP500.

Одним из важнейших достоинств показателя флопс является то, что он до некоторых пределов может быть истолкован как абсолютная величина и вычислен теоретически, в то время как большинство других популярных мер являются относительными и позволяют оценить испытуемую систему лишь в сравнении с рядом других. Эта особенность даёт возможность использовать для оценки результаты работы различных алгоритмов, а также оценить производительность вычислительных систем, которые ещё не существуют или находятся в разработке.

Границы применимости

Несмотря на кажущуюся однозначность, в реальности флопс является достаточно плохой мерой производительности, поскольку неоднозначным является уже само его определение. Под «операцией с плавающей запятой» может скрываться масса разных понятий, не говоря уже о том, что существенную роль в данных вычислениях играет разрядность операндов, которая также нигде не оговаривается. Кроме того, величина флопс подвержена влиянию очень многих факторов, напрямую не связанных с производительностью вычислительного модуля, таких как: пропускная способность каналов связи с окружением процессора, производительность основной памяти и синхронность работы кэш-памяти разных уровней.

Всё это, в конечном итоге, приводит к тому, что результаты, полученные на одном и том же компьютере при помощи разных программ, могут существенным образом отличаться, более того, с каждым новым испытанием разные результаты можно получить при использовании одного алгоритма. Отчасти эта проблема решается соглашением об использовании однообразных тестовых программ (той же LINPACK) с осреднением результатов, но со временем возможности компьютеров «перерастают» рамки принятого теста и он начинает давать искусственно заниженные результаты, поскольку не задействует новейшие возможности вычислительных устройств. А к некоторым системам общепринятые тесты вообще не могут быть применены, в результате чего вопрос об их производительности остаётся открытым.

Так, например, 24 июня 2006 года общественности был представлен суперкомпьютер Йокогама), с рекордной теоретической производительностью в 1 Пфлопс. Однако данный компьютер не является компьютером общего назначения и приспособлен для решения узкого спектра конкретных задач, в то время как стандартный тест LINPACK на нём выполнить невозможно в силу особенностей его архитектуры.

Также, высокую производительность на специфичных задачах показывают графические процессоры современных видеокарт и игровые приставки. К примеру, заявленная производительность игровой приставки Xbox 360 составляет 1 Тфлопс, а приставки PlayStation 3 и вовсе 2 Тфлопс, что ставит их в один ряд с суперкомпьютерами начального уровня. Столь высокие показатели обеспечиваются тем, что операции с трёхмерной графикой, которые они в основном выполняют, очень хорошо поддаются распараллеливанию, что с успехом используется в графических процессорах. Однако эти процессоры не в состоянии выполнять большинство задач общего назначения, и их производительность не поддаётся оценке теста LINPACK и сравнению с другими системами.

Причины широкого распространения

Несмотря на большое число существенных недостатков, показатель флопс продолжает с успехом использоваться для оценки производительности, базируясь на результатах теста LINPACK. Причины такой популярности обусловлены, во-первых, тем, что флопс, как говорилось выше, является абсолютной величиной. А, во-вторых, очень многие задачи инженерной и научной практики, в конечном итоге, сводятся к решению систем линейных алгебраических уравнений, а тест LINPACK как раз и базируется на измерении скорости решения таких систем. Кроме того, подавляющее большинство компьютеров (включая суперкомпьютеры), построены по классической архитектуре с использованием стандартных процессоров, что позволяет использовать общепринятые тесты с большой достоверностью. Как показано на процессорах Intel Core 2 Quad Q9450 2.66ГГц @3.5ГГц и Intel Core 2 Duo E8400 3000 МГц (2008) программа LINPACK не использует решения алгебраических выражений, так как любая операция не может идти быстрее, чем 1 такт процессора. Так для процессоров Intel Core 2 Quad один такт требует один-два герца. Так как для задач с плавающей запятой: деление/умножение, сложение/вычитание — требуется намного больше одного такта, то видно, что выдать 48 Гигафлопс и 18,5 гигафлопса соответственно данные процессоры не могли. Часто вместо операции деления с плавающей запятой используется загрузка данных в режиме ДМА из оперативной памяти в стек процессора. Так работает программа LINPACK в некоторых тестах, но, строго говоря, результат не является значением флопс.

Примечание: замечание о невозможности выполнения более одной операции за такт абсолютно некорректно, так как все современные процессоры в каждом своем ядре содержат несколько исполнительных блоков каждого типа (в том числе и для операций с плавающей точкой) работающих параллельно и могут выполнять более одной инструкции за такт. Данная особенность архитектуры называется суперскалярность и впервые появилась еще в самом первом процессоре

Обзор производительности реальных систем

Из-за высокого разброса результатов теста LINPACK, приведены примерные величины, полученные путём осреднения показателей на основе информации из разных источников. Производительность игровых приставок и распределённых систем (имеющих узкую специализацию и не поддерживающих тест LINPACK) приведена в справочных целях в соответствии с числами, заявленными их разработчиками. Более точные результаты с указанием параметров конкретных систем можно получить, например, на сайте The Performance Database Server.

Суперкомпьютеры

• Компьютер ЭНИАК, построенный в 1946 году, при массе 27 т и энергопотреблении 150 кВт, обеспечивал производительность в 300 флопс
• IBM 709 (1957) — 5 кфлопс
• БЭСМ-6 (1968) — 1 Мфлопс (операций деления)
• Cray-1 (1974) — 160 Мфлопс
• БЭСМ-6 на базе Эльбрус-1К2 (1980-х) — 6 Мфлопс (операций деления)
• Cray Y-MP (1988) — 2,3 Гфлопс
• ASCI Red (1993) — 1 Тфлопс
• Blue Gene/L (2006) — 478,2 Тфлопс
• Jaguar (суперкомпьютер) (2008) — 1,059 Пфлопс
• IBM Roadrunner (2008) — 1,105 Пфлопс ^[1]
• IBM Sequoia (2012) — 20 Пфлопс ^[2]

Персональные компьютеры

• PC/XT (1983) — 6,9 кфлопс
• ПК на основе процессора 80386 (1985) с тактовой частотой 40 МГц — 0,6 Мфлопс
• Intel
• Intel Pentium II 300 МГц (1997) — 50 Мфлопс
• Intel Pentium III 1 ГГц (1999) — 320 Мфлопс
• AMD Athlon 64 2,211 ГГц (2003) — 840 Мфлопс^[3]
• Intel Core 2 Duo 2,4 ГГц (2006) — 1,3 Гфлопс

Процессоры

• Intel Core 2 Duo E8400 3.0ГГц (2008) — 18.6 Гфлопс При использовании стандартной версии LINPACK 10
• Intel Core 2 Duo E8400 3.0ГГц @4.0ГГц (2008) — 25 Гфлопс (LINPACK Benchmark 10.0 64-бит) в Windows Vista x64 Ultimate SP1
• Intel Core 2 Quad Q9450 2.66ГГц @3.5ГГц — 48 ГФлопс (LINPACK Benchmark 10.0 64-бит) в Windows 2003sp2 x64

Карманные компьютеры

• КПК на основе процессора Samsung S3C2440 400 МГц (архитектура
• Intel XScale PXA270 520 МГц — 1,6 Мфлопс
• Intel XScale PXA270 624 МГц — 2 Мфлопс

Распределённые системы

Данные приведены по состоянию на 23 июня 2008 года

• Folding@home — более 4 Пфлопс^[4]
• [5]
• SETI@home — более 560 Тфлопс^[6]
• Einstein@Home — более 157 Тфлопс.^[7]

Игровые приставки

• Dreamcast — 1,4 Мфлопс
• Xbox — 6,3 Гфлопс
• PlayStation 2 — 6,2 Гфлопс
• Sony PlayStation Portable — 2,6 Мфлопс
• Gamecube — 10,5 Мфлопс
• Microsoft Xbox 360 — 1 Тфлопс
• Sony PlayStation 3 — 2 Тфлопс ^[8]

Человек и калькулятор

Калькулятор неслучайно попал в одну категорию вместе с человеком, поскольку, хотя он и является электронным устройством, содержащим процессор, память и устройства ввода/вывода, режим его работы кардинально отличается от режима работы компьютера. Калькулятор выполняет одну операцию за другой с той скоростью, с какой их запрашивает человек-оператор. Время, проходящее между операциями, определяется возможностями человека и существенно превышает время, которое затрачивается непосредственно на вычисления. Можно сказать, что в среднем производительность обычного карманного калькулятора составляет 10 флопс.

Человек, пользуясь лишь ручкой и бумагой, выполняет операции с плавающей запятой очень медленно и, часто, с большой ошибкой. Говоря о производительности нашего вычислительного аппарата, придётся использовать такие единицы как миллифлопс и даже микрофлопс. Тем не менее, мозг человека в реальном времени может выполнять столь сложные операции как синтез и распознавание речи и образов, координацию в пространстве и множество других, недоступных пока даже самым мощным суперкомпьютерам.

Примечания

1. ↑ IBM создала самый мощный суперкомпьютер в мире(рус.), Lenta.ru, 9 июня 2008 года
2. ↑ IBM создаст мощнейший суперкомпьютер(рус.)
3. ↑ При использовании нестандартной версии LINPACK BENCHMARK 2007 года, реализующей все преимущества 64-битного процессора, это число поднимается до 1 Гфлопс
4. ↑ Folding@Home
5. ↑ BOINC
6. ↑ SETI at home
7. ↑ Einstein@Home — Server Status
8. ↑ SONY COMPUTER ENTERTAINMENT INC. TO LAUNCH ITS NEXT GENERATION COMPUTER ENTERTAINMENT SYSTEM, PLAYSTATION®3 IN SPRING 2006(англ.)

См. также

• MIPS
• Top500

Ссылки

• TOP500 Рейтинг суперкомпьютеров TOP500 (англ.)
• The Performance Database Server Большая база данных производительности вычислительных систем (англ.)
• Roy Longbottom’s PC Benchmark Collection Подборка тестовых программ для ПК (включая LINPACK) и результатов испытаний (англ.)
• Linpack CPU Benchmark for Pocket PC Версия LINPACK для КПК (англ.)
• История суперкомпьютеров (англ. яз; pdf)