Практикум: Законы Мура. Основные характеристики процессоров

Интерактивный рабочий лист студента по дисциплине «Архитектура аппаратных средств» (СИЭУиП, занятие 10). Сопоставление архитектурных параметров CPU, разоблачение «мегагерцевого мифа», расчет пределов параллелизации по закону Амдала и индивидуальный протокол подбора процессора по 4 вариантам нагрузок.

ФИО обучающегося:

Учебная группа:

Дата выполнения:

Выбранный вариант нагрузки:

Критерии оценивания (открытая 4-балльная шкала):

Корректность (до 2 баллов): безошибочное сопоставление характеристик процессоров в таблице Задания 2 и математически точный расчет ускорения по закону Амдала в Задании 3.
Объяснение (1 балл): логичное и физически обоснованное объяснение остановки закона Мура/Деннарда в Задании 1 и разоблачение «мегагерцевого мифа» через формулу $IPC \times f$.
Проверка (1 балл): в индивидуальном протоколе (Задание 4) выявлены аппаратные узкие места выбранного сценария и аргументирован инженерный выбор процессора с учетом архитектурных ограничений.

Максимальный балл: 4. Срок сдачи: до следующего занятия.

Задание 1. Анализ закона Мура, масштабирования Деннарда и физических барьеров

Сформулируйте экономическую суть закона Мура, объясните физический механизм масштабирования Деннарда и опишите причины возникновения «тепловой стены» (Power Wall) при достижении литографических норм 90–65 нм.

1.1. В чем заключается классическая формулировка закона Мура и почему это экономическое правило, а не закон физики? В чем разница между ростом плотности транзисторов и ростом тактовой частоты?

1.2. Раскройте формулу масштабирования Деннарда ($P_{dyn} = C \cdot V^2 \cdot f$) и объясните, почему в середине 2000-х годов произошел крах масштабирования и наступил барьер «тепловой стены» (квантовое туннелирование, подпороговые токи утечки, невозможность снижения напряжения питания):

Задание 2. Сравнительный анализ характеристик процессоров и разоблачение «мегагерцевого мифа»

Заполните аналитическую матрицу характеристик процессоров четырех разных поколений и объясните математически, почему тактовая частота сама по себе не определяет реальную производительность.

Параметр архитектуры	Intel Pentium 4 670 (2005)	Intel Core 2 Duo E6600 (2006)	AMD Ryzen 7 7800X3D (2023)	Intel Core i7-14700K (2023)
Техпроцесс / Нод
Ядра / Потоки (P/E конфигурация)
Базовая / Турбо частота (ГГц)
Глубина конвейера (Pipeline Stages)
Кэш L3 (объем и особенности)
TDP / Реальное пиковое потребление

2.2. Разоблачение «мегагерцевого мифа»: почему процессор Pentium 4 Prescott (3.8 ГГц) безоговорочно проигрывал Core 2 Duo Conroe (2.4 ГГц)? Продемонстрируйте формулу $CPU\_Time = I / (IPC \times f)$, объясните влияние длины конвейера и штрафа за сброс конвейера при неверном предсказании ветвлений:

Задание 3. Расчет ускорения многоядерной системы по закону Амдала

Закон Амдала определяет предел ускорения: $S(N) = \frac{1}{(1 - p) + \frac{p}{N}}$, где $p$ — параллельная доля программы, $N$ — число вычислительных ядер. Рассчитайте ускорение для трех сценариев и сделайте архитектурный вывод.

Параллельная доля кода ($p$)	Ускорение на 2 ядрах ($N=2$)	Ускорение на 4 ядрах ($N=4$)	Ускорение на 8 ядрах ($N=8$)	Ускорение на 16 ядрах ($N=16$)	Теоретический предел ($N \to \infty$)
Случай A: $p = 0.50$ (50% распараллелено)
Случай B: $p = 0.80$ (80% распараллелено)
Случай C: $p = 0.95$ (95% распараллелено)

3.2. Архитектурный вывод по закону Амдала: почему бессмысленно наращивать число ядер в процессоре для слабопараллельных пользовательских программ? Что важнее для ускорения таких задач: тактовая частота, IPC или объем кэша?

Задание 4. Индивидуальный протокол сравнительного анализа (по 4 вариантам рабочих нагрузок)

Заполните протокол в соответствии с вариантом, выбранным в блоке реквизитов (или назначенным преподавателем). Проанализируйте тип нагрузки, обоснуйте выбор CPU и вскройте ограничение поверхностной интерпретации характеристик.

Вариант не выбран в шапке страницы (выберите вариант в карточке студента выше)

4.1. Анализ характера рабочей нагрузки и ключевых узких мест (Memory-bound / Cache-bound / Latency-bound / Compute-bound Throughput / SIMD-bound):

4.2. Сравнительный инженерный выбор процессора и его аргументация (AMD Ryzen 7 7800X3D vs Intel Core i7-14700K):

4.3. Ограничение поверхностной интерпретации характеристик (разоблачение маркетингового мифа в данном сценарии):