Сравнение процессоров Байкал-М и Эльбрус-8СВ

Недавно у меня по работе появился компьютер на базе процессора Байкал-М (BE-M1000), а также у меня есть удалённый доступ к компьютерам на процессорах Эльбрус, поэтому я решил сравнить их производительность в различных тестах.

Эта статья является продолжением моих предыдущих статей по бенчмаркам Эльбрусов:

• Новогодние бенчмарки компьютеров Эльбрус
• Большое тестирование процессоров различных архитектур

К результатам процессоров Байкал-М и Эльбрус-8СВ я добавил процессор Intel Core i7-2600 для относительного сравнения.

Характеристики сравниваемых процессоров:

* — У Intel Core i7-2600 часота бустится, да и ядер всего 4 с 8 потоками.

Кроме стандартных тестов Dhrystone и Whetstone, я решил включить следующие тесты:

• HPL (High Performance Linpack)
• 7zip встроенный бенчмарк
• StockFish (встроенный тест шахматного движка)
• Рендеринг в Blender (Файл для теста)
• Готовые результаты в SPEC 2006 (однопоток)
• JavaScript

Кроме того, я запускал тесты на языках программирования Java, C#, Python, PHP, Lua, но решил не включать результаты в эту статью, но вы их можете посмотреть отдельно: https://github.com/EntityFX/EntityFX-Bench/tree/master/results

Теперь сразу перейдём к сводной таблице с результатами.

Результаты

* — В нативном режиме Эльбрус в тесте Coremark показывает в 1,5 раза хуже результаты чем в режиме бинарной трансляции x86-64 кода (этот бинарный транслятор называется RTC)

** — Результаты для процессора Эльбрус 8СВ уточняются у компании МЦСТ

*** — В JavaScript тестах Эльбрус достаточно отстаёт. Причина в том, что JIT-компиляция для JavaScript'а Эльбруса не достаточно глубоко реализована и есть куда улучшать. Во всех JS тестах использовался браузер Firefox. (На Эльбрусе только Firefox 52).

Результаты всех тестов здесь: https://github.com/EntityFX/anybench/tree/master/results

Снял видео с некоторыми тестами:

Немного об архитектурах процессоров Байкал-М и Эльбрус

Байкал-М

Байкал-М — процессор на основе 64 разрядной RISC архитектуре ARM (armv8, aarch64), имеет 8 ядер, которые реализуют микроархитектуру ядер Cortex-A57.

Схема микроархитектуры Cortex-A57:

Устройство конвейера Cortex-A57:

Особенности ядер Cortex-A57:

• 64 битная архитектура armv8.0a
• FP/SIMD расширения VFPv4 и NEON
• Внеочередное исполнение
• Предсказание ветвлений
• Поддержка виртуализации
• 8 портов на исполнение микроопераций:
  
  • 2 Загрузки/Сохранения
  • 2 простых АЛУ (сложение, сдвиг)
  • 1 блок ветвлений
  • 1 АЛУ для умножения, деления
  • 2 блока SIMD/FPU
• 3 уровневый декодер команд
• Кеши
  
  • 48 КБ L1 кэш команд (3 канальный, ассоциативный, размер линии 64 байта)
  • 32 КБ L1 кэш данных (2 канальный, ассоциативный, размер линии 64 байта)
  • 32 КБ L1 кэш данных (2 канальный, ассоциативный, размер линии 64 байта)
  • В Байкал-М 1 МБ L2 на 1 кластер (2 ядра в кластере), в сумме 4 МБ
  • Кэш L3: 8 МБ

Моё видео о сравнении Байкала и Эльбруса:

Эльбрус-8СВ

Эльбрус-8СВ — процессор на основе 64 разрядной VLIW архитектуры E2K 5го поколения (e2k, elbrus-v5), имеет 8 ядер.

Схема микроархитектуры E2K:

Подробные детали микроархитектуры E2K:

Особенности ядер elbrus-v5:

• 64 битная VLIW архитектура elbrus-v5
• 128 (+ 8 бит на тег) разрядные регистры (были 80 бит + 4 бита на тег) и SIMD расширения
• 256 регистров (поддержка регистровых окон), 32 регистра из 256 — глобальные
• Предикатный файл на 64 бита (32 2 битовых флажков)
• 6 АЛУ блоков (с разными возможностями):
  
  • 4 могут в Load
  • 2 могут в Store
  • 6 целых/сдвиговых АЛУ
  • 6 вещественных АЛУ
  • 4 сравнивающих блоков
  • 4 целочисленных умножений
  • 6 вещественных умножений
  • 4 целочисленных векторных блоков
  • 2 вещественных векторных блоков
  • 1 деление и квадратный корень
• Блок предпоткачки массивов
• Блок аппаратной поддержки циклов (можно зациклить одну Широкую Команду без прыжков)
• Явный спекулятивный режим
• Кеши
  
  • 128 КБ L1 кэш команд (4 канальный, ассоциативный, размер линии 256 байт)
  • 64 КБ L1 кэш данных (4 канальный, ассоциативный, размер линии 32 байта)
  • L2: 512 Кбайт в каждом ядре, 4 Мбайт суммарно (Размер линии: 64 байт, Ассоциативность: 4)
  • L3: 16 Мбайт в процессоре (Размер линии: 64 байт, Ассоциативность: 16)
• Нет предсказателя ветвлений (будет в поколении 7)
• Нет переупорядочивания инструкций (Ложится на плечи компилятора)

Разбираем результаты

Dhrystone

Dhrystone достаточно древний тест 80х годов, написан на C. Тестирует целочисленную арифметику и работу со строками. Результаты измеряются в Dhrystone/s и DMIPS. (DMIPS = Dhrystone/s делить на 1757).

Байкал-М и Эльбрус показывают примерно одинаковые результаты. Тест особо не параллелится, поэтому на Эльбрусах все 6 АЛУ не загружаются. Это означает что в большинстве программ (а они не особо параллелятся на АЛУ), которые написаны на языках C, C++ и других компилируемых языках оба процессора будут показывать примерно равную производительность (оба имеют частоту в 1500 МГц).

Whetstone

Тестирует арифметику с плавающей/фиксированной запятой, математические функции, ветвления, вызовов функций, присваиваний, работы с числами с фиксированной запятой, ветвлений. Результаты измеряются в MMIPS.

Эльбрус оказывается чуть быстрее в этом тесте чем Байкал-М. Ядра Эльбруса больше приспособлены для выполнения вещественной арифметики, но так как в наборе тестов есть и другие тесты, которые не поддаются распараллеливанию, то результаты выравниваются. Следовательно, в простых непараллельных математических и других программах эти процессоры будут показывать одинаковые результаты.

Coremark

Современный тест, который должен заменить Dhrystone и Whetstone. Написан на C. Считает различные массивы, матрицы, сортировка и т. д. Предназначался для запуска на всём: от микроконтроллеров до мощных процессоров.

В данном тесте Байкал-М оказывается в 1,5 раза быстрее Эльбруса. Но очень удивило то, что Эльбрус в режиме x86-64 трансляции показывает в 1,5 раза лучше результаты своего нативного варианта. (Следовательно, есть какие-то недоработки в компиляторе LCC).

MP MFLOPS и HPL

В данных тестах Эльбрус значительно вырывается вперёд, так как данные тесты максимально параллелятся на Эльбрусах. Это и понятно: Эльбрус заточен под числодробильные задачи, поэтому научные расчёты будут максимально быстрыми на Эльбрусах. Он в этом тесте даже обогнал Core i7-2600 в 4 раза.

7zip

Встроенный тест архиватора. Тест особо не параллелится, результаты примерно равные на этих процессорах (частота одинаковая).

Blender

Эльбрус рендерит немного быстрее Байкала-М. Кстати, результат Эльбрус-8СВ не сильно отличается от Эльбрус-8С (разница с ростом частоты с 1300 до 1500 МГц), следовательно, требуются кое-какие оптимизации и использование SIMD, чтобы повысить результаты на Эльбрус-8СВ.

SPEC 2006 INT/FP

SPEC CPU2006 инструмент исследования производительности систем, который основан на коде реальных приложений, поставляются в виде исходного кода. Тест оценивает не только производительность процессора и памяти, но и показывает то, насколько компиляторы могут оптимизировать код.

Имеется 2 группы тестов:

• SPEC INT 2006, измеряющий производительность целочисленных вычислительных задач (integer);
• SPEC FP 2006, измеряющий производительность вычислительных задач с вещественными числами (числами с плавающей точкой, floating point).

Браузерный JavaScript

Во всех JavaScript тестах использовался браузер Firefox, для Эльбрус 8СВ используется версия 52 (единственная доступная на данный момент версия браузера), на остальных — последняя. JavaScript на процессорах Эльбрус имеет достаточно низкую производительность (отставание в 2 раза относительно Байкал-М), детали о том как выполняли портирование можете посмотреть в статье Портирование JS на Эльбрус.

PHP, Python

TODO

Выводы

Процессоры Байкал-М и Эльбрус-8СВ показывают примерно одинаковую производительность в большинстве задачах. Эльбрус-8СВ сильно выигрывает в "числодробилках", но проигрывает в тестах JavaScript (да и где есть интерпретация или JIT-компиляция в реалтайме).

Жду ваши предложения, какие ещё бенчмарки можно прогнать на этих компьютерах (желательно с простой сборкой).

Преимущества Байкалов:

• Лицензируемая ARM архитектура
• Набирает популярность в десктопе и серверах, а не только в мобилках и одноплатниках
• Не нужно переносить компиляторы, ядро Linux и портировать кучу софта

Преимущества Эльбрусов:

• Своя архитектура E2K
• Мощная "числодробилка" + работает обычный софт под Linux
• Есть сообщество энтузиастов (переносят игры и софт)

Другие результаты:

Ссылки

• https://www.altlinux.org/Эльбрус/тесты/результаты
• https://github.com/EntityFX/anybench/
• https://github.com/EntityFX/EntityFX-Bench
• Anandtech: Cortex A57 architecture
• Результаты тестов Байкал-М от Байкал Электроникс
• StockFish