Практикум: Законы Мура. Основные характеристики процессоров

Интерактивный рабочий лист студента: сопоставление архитектурных параметров и бенчмарков 4 реальных процессоров под 4 прикладных профиля, расчёт ускорения многоядерных систем по закону Амдала, анализ аппаратных узких мест (IPC vs GHz vs кэш) и оформление расчётно-обоснованного протокола выбора процессора по 4 вариантам.

Вариант не выбран
Критерии открытой 4-балльной оценки:
Срок сдачи индивидуального отчёта: до следующей пары.
Задание 1. Сравнительный анализ характеристик и бенчмарков 4 процессоров
Проанализируйте технические характеристики и тестовые показатели 4 процессоров разных классов: массового офисного (Core i3-14100), игрового с 3D V-Cache (Ryzen 7 7800X3D), флагманского настольного (Core i9-14900K) и серверного многоядерного (EPYC 9354P). Рассчитайте показатель удельной энергоэффективности под нагрузкой и сформулируйте архитектурные выводы.
Параметр / Метрика Intel Core i3-14100 AMD Ryzen 7 7800X3D Intel Core i9-14900K AMD EPYC 9354P
Микроархитектура / Техпроцесс Raptor Lake / Intel 7 (10 нм) Zen 4 / TSMC 5 нм (+ 6 нм IOD) Raptor Lake Refresh / Intel 7 Zen 4 / TSMC 5 нм SP5
Ядра / Потоки 4P + 0E / 8 потоков 8P / 16 потоков 8P + 16E / 32 потока 32 ядра / 64 потока
Базовая / Макс. частота (ГГц) 3.50 / 4.70 ГГц 4.20 / 5.00 ГГц 3.20 / 6.00 ГГц (P-ядра) 3.25 / 3.80 ГГц
Кэш-память L2 / L3 5 МБ L2 / 12 МБ L3 8 МБ L2 / 96 МБ L3 (3D V-Cache) 32 МБ L2 / 36 МБ L3 32 МБ L2 / 256 МБ L3
Каналы памяти ОЗУ / Тип 2 канала / DDR4-3200, DDR5-4800 2 канала / DDR5-5200 (до 6000) 2 канала / DDR5-5600 (до 7200+) 12 каналов / DDR5-4800 ECC
Лимиты мощности: Base / PL2 (TDP) 60 Вт / 110 Вт 120 Вт (в играх ~65 Вт) 125 Вт / 253 Вт (до 300+ Вт) 280 Вт (TDP cTDP до 300 Вт)
Cinebench R23 (Single-Core), баллы ~1 780 ~1 820 ~2 320 ~1 520
Cinebench R23 (Multi-Core), баллы ~9 100 ~18 400 ~40 500 ~58 000
Киберспортивный FPS (CS2 / 1080p Low) ~260 FPS (1% low: ~130) ~620 FPS (1% low: ~310) ~540 FPS (1% low: ~230) ~280 FPS (1% low: ~140)
Удельная энергоэффективность: CB R23 Multi / Max TDP (баллов/Вт)
Задание 2. Расчёт пределов ускорения по закону Амдала
Закон Амдала определяет теоретический предел ускорения $S(N)$ при распараллеливании вычислений на $N$ исполнительных ядер:
S(N) = 1 / ((1 - p) + p / N), асимптотический предел: S_max = 1 / (1 - p) при N → ∞.
Заполните расчётную таблицу ускорений относительно одного ядра ($N=1$) для трёх профилей параллельности программного кода.
Профиль нагрузки и доля p S(4 ядра) S(8 ядер) S(16 ядер) S(32 ядра) Предел S_max (∞)
Случай A: Офис / 1С / Браузинг
Параллельная доля: p = 0.40 (40%)
Случай B: Игровой движок (CS2 / физика)
Параллельная доля: p = 0.70 (70%)
Случай C: 3D-рендеринг / Компиляция
Параллельная доля: p = 0.95 (95%)
Задание 3. Индивидуальный расчётно-обоснованный протокол выбора процессора
Заполните протокол строго по выбранному в шапке варианту профиля нагрузки. Выберите оптимальный процессор из матрицы 4 моделей, обоснуйте выбор через закон Амдала и узкие места архитектуры, а также докажите непригодность или неэффективность остальных 3 процессоров.
Справка по профилям нагрузки вариантов:
  • Вариант 1 (Киберспортивный игровой ПК): соревновательные онлайн-шутеры (CS2, Valorant, Dota 2), 240+ FPS, монитор 240/360 Гц, критична задержка межъядерного взаимодействия и доступ к кэшу L3, $p \approx 0.65 - 0.70$.
  • Вариант 2 (Рабочая станция 3D-рендеринга): Blender Cycles, Cinema 4D, компиляция масштабных C++/Rust проектов, высокопараллельная нагрузка на все ядра, $p \approx 0.95$.
  • Вариант 3 (Офисно-бухгалтерский компьютер): 1С:Предприятие (толстый/тонкий клиент), сводные таблицы Excel с макросами, электронный документооборот, видеоконференции, лимит бюджета и требования к тишине/энергоэффективности, $p \approx 0.40$.
  • Вариант 4 (Сервер виртуализации для IT-лаборатории): Proxmox VE, одновременный запуск 25–30 виртуальных машин студентов, СУБД PostgreSQL, непрерывная работа 24/7, критична пропускная способность памяти и поддержка ECC.