Sind Ganzzahlberechnungen auf moderner Hardware immer noch schneller als Gleitkommaberechnungen?

Gleitkomma- und Ganzzahlberechnungen auf moderner Hardware

Sind Ganzzahlberechnungen wirklich schneller?

Ein seit langem unter Programmierern verbreiteter Glaube ist, dass Ganzzahlberechnungen schneller sind von Natur aus schneller als Gleitkommaberechnungen. Diese Annahme gilt jedoch möglicherweise nicht mehr für moderne Multi-Core-Prozessoren.

Bewertung der Leistungslücke

Um die relative Geschwindigkeit von Ganzzahl- und Gleitkommaberechnungen auf verschiedenen CPU-Architekturen zu beurteilen, gehen wir näher darauf ein in einige Daten:

64-Bit Intel Xeon X5550 bei 2,67 GHz, gcc 4.1.2 -O3:

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short mul/div: 3.926543 [0]
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long mul/div: 7.378581 [0]
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double mul/div: 1.988664 [0]

32-Bit-Dual-Core-AMD-Opteron(tm)-Prozessor 265 bei 1,81 GHz, gcc 3.4.6 -O3:

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double mul/div: 4.646755 [0]

Diese Ergebnisse zeigen, dass auf diesen Architekturen der Leistungsunterschied zwischen Ganzzahl- und Gleitkommaoperationen relativ gering ist. In einigen Fällen können Gleitkommaberechnungen sogar schneller sein als Ganzzahloperationen, insbesondere bei längeren Datentypen wie „long long“.

Überlegungen zur Leistung

Mehrere Faktoren beeinflussen die Leistung von Gleitkommaberechnungen und Ganzzahlberechnungen:

• CPU-Architektur: Verschiedene CPUs haben unterschiedliche Gleitkommaeinheiten (FPUs) und Ganzzahlberechnungen Arithmetische Logikeinheiten (ALUs). Einige CPUs verfügen über dedizierte FPUs, während andere FPUs und ALUs kombinieren.
• Superskalare Ausführung: Moderne CPUs verwenden eine superskalare Architektur, die es ihnen ermöglicht, mehrere Anweisungen parallel auszuführen. Dies kann die Leistung von Gleitkommaberechnungen erheblich verbessern, die mehr unabhängige Operationen als Ganzzahloperationen verarbeiten können.
• Gleitkommapräzision: Gleitkommaberechnungen verwenden unterschiedliche Genauigkeitsstufen (z. B. , einfache oder doppelte Genauigkeit), was sich auf die Leistung auswirken kann. Berechnungen mit doppelter Genauigkeit sind im Allgemeinen langsamer, können aber einen größeren Wertebereich verarbeiten.

Leistung testen

Um die Leistung von Gleitkomma- und Ganzzahlberechnungen auf einer bestimmten Zielhardware genau zu testen , verwenden Sie die folgenden Schritte:

1. Schreiben Sie einfache Testprogramme, die die gewünschten Berechnungen durchführen.
2. Kompilieren Sie die Programme mit denselben Optimierungseinstellungen.
3. Führen Sie die Programme mehrmals aus, um die Auswirkungen von Abweichungen im System zu reduzieren Leistung.
4. Vergleichen Sie die Ausführungszeiten, um die relative Geschwindigkeit der zu bestimmen Operationen.

Fazit

Während Ganzzahlberechnungen früher deutlich schneller waren als Gleitkommaberechnungen, hat sich diese Lücke auf moderner Hardware deutlich geschlossen. Superskalare Architektur, dedizierte FPUs und effiziente Gleitkomma-Bibliotheken haben dazu geführt, dass Gleitkomma-Operationen in ihrer Geschwindigkeit mit ganzzahligen Operationen vergleichbar sind. Daher ist es wichtig, die spezifische Hardware und Arbeitslast zu bewerten, bevor man davon ausgeht, dass Ganzzahlberechnungen von Natur aus schneller sind.

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