不同架构上的单线程软件性能

Question

在一些论文中，作者正在测量他们的sinlge线程软件的加速程度（加速是输入处理延迟的减少）。他们展示了三种不同架构的加速结果。以下是详细信息：

• 1.5 GHz奔腾M
• 2.4 GHz的英特尔酷睿2
• Xeon E5520 2.27 GHz

这是结果图

现在，Xeon是一个多核，它表现出了良好的加速性能。我的问题是，当你的程序是单线程时，单个线程将一次在一个核心上运行。是的，但是当一个核心上有负载时，您的操作系统可能会将该线程切换到另一个核心，但它仍然只使用一个核心用于您的软件的单个线程。那么，为什么Xeon与其他两种架构相比表现出良好的性能呢？

与其他架构相比，还有其他因素使Xeon的性能更好吗？这是使其性能更快的时钟速度吗？

Answer 1

如果我理解正确，那么您正在测量不同处理器上2种算法之间的性能差异。具有较大加速的处理器可能特别擅长新算法，或者对旧算法（或两者）特别差。以下答案给出了这种差异的可能原因。如果我的问题出错，你现在就可以停止阅读了。

最有可能的差异与核心数量无关。测试的算法是单线程的。在测量程序的性能时，PC不得受到其他未指定程序的重大负载 - 否则整个测量无效。因此，操作系统不太可能经常中断算法，因为它会对性能产生重大影响。

差异也不直接归因于时钟速度，因为这会同等地影响两种算法。它可能间接地与时钟速度有关，例如由于计算速度与读/写访问的比率不同。

差异肯定会受到各种处理器特定“功能”的影响（缺少更好的词），包括但不限于：

• 分割，乘法，加法和其他指令使用了多少个时钟周期。
• 分支预测对给定算法的准确程度如何（参见branch prediction）。
• 获取程序中使用的不同类型数据需要多长时间（请参阅caching）。

如果针对特定体系结构编译算法，则编译器还可以执行各种处理器特定的优化，用另一个特定于当前处理器的指令替换一组指令。或者它可以在为一个体系结构创建程序时重新排序一组指令，因为隐式保证对该处理器有效。

程序还可能依赖于处理器以外的硬件，例如，如果它访问RAM或硬盘。算法还可以调用操作系统，例如在控制台上打印某些内容，写入硬盘或保留/释放内存。此时，操作系统及其配置将成为差异的一部分。

非常有趣，您可以在选择不同的防病毒软件时测量算法的性能。

Answer 2

时钟速度不是决定CPU性能的唯一因素。其他主要因素是每时钟指令（IPC）速率和CPU高速缓存大小。 Xeon E5520比Core 2更新，因此它可能更有效地执行正在执行的指令，从而提供更高的IPC。此外，英特尔的Xeon芯片通常比台式机芯片（如Core 2）或笔记本电脑芯片（如Pentium M）具有更大的L2和L3缓存，因此CPU正在使用的代码或数据更可能位于快速缓存内存中比缓慢的主记忆。

Answer 3

流程技术是这里的核心选择。 Pentium M具有90纳米的特征尺寸，Core2为65纳米，Xeon为45纳米。

小一些更好：

• 更高的时钟速度。过去几天在Pentium M时代几乎无效，今天已经完成。处理器停留在当前的时钟速度。略微调整的是动态时钟速率，Xeon标称值为2.26 GHz，但可以提升至2.53
• 信号传输距离越短，允许它们以更高的速率切换。
• 核心中的更多晶体管，允许额外的执行引擎，同时有更多的飞行指令。超线程利用额外引擎中的冗余。
• 更大的缓存。 Pentium M有2MB的L2缓存，Core2有4MB，Xeon有8MB。
• 更多核心。 Pentium M有1，Core2有2，Xeon有4（与这个问题无关）。

缓存大小可能是最大的选择器。 Xeon很昂贵，并且通常与更好的内存总线结合，从测试中不清楚基准是否是总线限制的。可能不是。