A eficiência de mainframes medida através de conceitos de linha de produção e da Lei de Amdahl por Antonio Cesar Sartoratto Dias
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O documento discute a eficiência de mainframes usando conceitos de linha de produção e a Lei de Amdahl. Apresenta benchmarks de desempenho de sistemas mainframe e aplica a Lei de Amdahl para analisar a eficiência antes e depois de melhorias. Conclui que é possível atingir a eficiência máxima ao se entender as causas de ineficiência.
![Introdução Lei de Amdahl para sistemas equilibrados fontes: [Amdahl, 1967] & [Gray, 2000]](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
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A eficiência de mainframes medida através de conceitos de linha de produção e da Lei de Amdahl por Antonio Cesar Sartoratto Dias
- 1. A eficiência de mainframes através de conceitos de linha de produção e da Lei de Amdahl
- 2. Introdução Lei de Amdahl para sistemas equilibrados fontes: [Amdahl, 1967] & [Gray, 2000]
- 3. Introdução Qual o tempo para tratar 1 milhão de registros?
- 4. Benchmarks resultado obtido por SPRUTH em IBM - 25.000 MIPS fonte: Euro CMG 2007
- 5. Benchmarks fatos observados em um banco brasileiro
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- 7. Introdução Conceito de processo
- 11. Visão pelos conceitos tradicionais qual a eficiência destes resultados?
- 12. qual a eficiência destes resultados? Visão pelos conceitos tradicionais
- 13. qual a eficiência destes resultados? Visão pelos conceitos tradicionais
- 14. processador necessário e suficiente - antes Aplicação da Lei de Amdahl
- 15. Aplicação da Lei de Amdahl eficiência - antes
- 16. Aplicação da Lei de Amdahl processador necessário e suficiente - depois
- 17. Aplicação da Lei de Amdahl eficiência - depois
- 18. Conclusão causas de ineficiência
- 19. Conclusão causas de ineficiência
- 20. Lei de Amdahl prevista Lei de Amdahl observada Conclusão É possível atingir a eficiência máxima
- 21. A eficiência de mainframes através de conceitos de linha de produção e da Lei de Amdahl F I M Autores: Antonio Cesar Sartoratto Dias - acsdias@uol.com.br Marcius Fabius Henriques de Carvalho - marcius.carvalho@cenpra.gov.br
Notas do Editor
- Apresentaç ão: A engenharia de processos industrias, sobretudo a voltada para o setor automobilístico, busca melhorias de 1% a cada ano, seja em qualidade, custo ou tempo de processo. Por isso, na área industrial, foram desenvolvidos conceitos aprimorados para melhoria de desempenho que podem ser observados e utilizados em outros setores da economia. Este artigo tem como objetivo contribuir para o aumento da precisão dos trabalhos de planejamento de capacidade de mainframes , melhoria de desempenho de sistemas e das previsões do tempo de duração de processos da Tecnologia da Informação.
- A Lei de Amdahl para sistemas equilibrados Eugene Amdahl foi o engenheiro chefe dos projetos IBM /360 e /370. Durante as décadas de 60 e 70, ficou conhecido por muitas regras práticas para a engenharia de dados. Dentre elas, destaca-se a Lei do Sistema Equilibrado, utilizada neste trabalho : Um sistema equilibrado consumirá 8 MIPS (milhões de instruções por segundo) para processar cada MB/s (megabyte por segundo) transferido de/para discos. [AMDA67] apud [GRAY00] A Figura representa os valores definidos pela Lei de Amdhal: em um sistema equilibrado cada 1 MB/s lido/gravado consome 8 MIPS para seu processamento .
- A Figura ilustra como o tempo de um processo pode variar em função da configuração de uma máquina. Houve variação de 6 horas a 2 minutos para processar 1 milhão de registros utilizando um mainframe , em ambiente real de produção. Sem acesso a parâmetros mais precisos, uma das poucas maneiras de gerenciar o desempenho de processos apoiados por computadores de grande porte serão aquelas baseadas na intuição ou diretrizes históricas.
- Benchmark X Realidade É possível que resultados de benchmarks sejam desconsiderados devido à crença que eles não representem, com precisão, os ambientes reais de produção. As duas próximas figuras permitem comparar o resultado de um benchmark com o resultado de um ambiente real de produção. A Figura ilustra o resultado de um benchmark apresentado no Euro CMG-2007 [SPRU07]. O equipamento utilizado foi capaz de realizar mais de 15 mil transações por segundo com tempo de resposta de 0,12 seg. Com auxílio de poucas contas, é possível observar que são realizadas aproximadamente 57 milhões de transações por hora, valor na mesma ordem de grandeza do processamento diário de algumas instituições bancárias brasileiras.
- Antes que haja contestações, os valores do benchmark anterior serão comparados aos observados em ambiente real de produção. A Figura representa a decomposição do tempo de resposta de transações realizadas em um banco brasileiro. O tempo médio de processador utilizado pelas lógicas foi da ordem de 0,01 s, entretanto, o tempo de resposta observado pelo usuário foi de 2,69 segundos. Esse valor foi o resultado da soma de 3 itens: (1) tempo de espera para início da transação ( WAIT TIME ) = 1,61 seg., (2) tempo de processo ( CPU TIME ) = 0,01 seg., e (3) tempo para realização dos procedimentos de encerramento da transação ( TASK DISPATCH AVG ) = 1,07 seg. Durante a análise, foram coletados dados de 25 milhões de transações bancárias em uma instalação que reduz o tempo de resposta através do aprimoramento da lógica dos aplicativos. De fato, os processos foram refinados e apresentaram pequena utilização de processador, entretanto, permaneceram em fila de disco a maior parte do tempo.
- Em uma linha de produção é realizado um conjunto seqüencial de operações implantadas no interior de uma fábrica que processam e transformam matéria prima em produtos disponibilizados para os consumidores finais. Seja qual for o ramo de atividade dessa linha de produção, ela utilizará a força do trabalho para transformar o insumo de entrada num produto de saída. Os insumos e os produtos finais são organizados em forma de estoque para aguardarem o momento de seguir seu fluxo na cadeia logística. Em um processo de Tecnologia da Informação, o conjunto seqüencial das operações está previamente escrita no interior do aplicativo. Utilizam um dado como entrada e, após o processo de transformação, realizado pela lógica de programação, geram uma informação disponibilizada para o usuário final. Essa seqüência é válida, tanto para aplicativos batch , que processam um grande lote de uma só vez quanto para uma transação acionada a cada vez que o usuário solicita. Os dados, de entrada, de saída ou auxiliares, podem estar armazenados em arquivos convencionais, em bancos de dados ou uma combinação entre eles.
- A Figura representa tanto um processo de fabricação como um processo de Tecnologia da Informação. O modelo recebe uma entrada, faz o tratamento através de um processo de transformação e gera uma saída. Durante o tempo de duração do processo existe interação com o ambiente operacional que hospeda o processo.
- A comparação entre produtividade versus eficiência feita por Coelli, mostra os seguintes pontos [COEL06]: Os termos, produtividade e eficiência, vem sendo usados freqüentemente pela mídia nos últimos dez anos por uma variedade de comentaristas. São usados como sinônimos apesar de não serem precisamente as mesmas coisas. A produtividade de uma firma é a relação da saída que produz com os insumos que utiliza. Produtividade = saídas/entradas. Para ilustrar a distinção entre os termos, é útil considerar um processo de produção simples em que uma única entrada (x) é usada para produzir uma única saída (y). A linha 0F' na Figura representa uma fronteira da produção que pode ser usada para definir o relacionamento entre a entrada e a saída. A fronteira da produção representa a saída máxima atingível de cada nível de entrada. Dessa forma ele reflete o estado atual da tecnologia na indústria. As firmas nesta indústria operam nessa fronteira, se forem tècnicamente eficientes, ou abaixo da fronteira se forem tècnicamente ineficientes. O ponto A representa um ponto ineficiente e os pontos B e C representam pontos eficientes. Uma firma que opera no ponto A é ineficiente porque tècnicamente poderia aumentar a saída ao nível associado com o ponto B sem requerer mais entrada.
- A Figura ilustra o conceito de conjunto factível de produção formado pelo conjunto de todas as combinações de entradas e saídas factíveis. Este conjunto consiste em todos os pontos entre a fronteira da produção, 0F', e o eixo x (inclusive nestes limites). Os pontos ao longo da fronteira da produção definem o subconjunto eficiente deste conjunto factível de produção . A vantagem preliminar da representação de um conjunto de uma tecnologia da produção está feita claramente quando nós discutirmos a produção de múltiplas entradas e múltiplas saídas e o uso da função de distância.
- Produtividade de uma unidade de produção é a relação de sua saída e sua entrada (Equação 1). A produtividade varia devido às diferenças na tecnologia da produção e às diferenças no ambiente em que a produção ocorre. [FRIE93] Dentro da categoria de indicadores de produtividade de T.I. estão os itens: (1) Response time, (2) Throughput, (3) % CPU. A eficiência de uma unidade de produção é a comparação entre o valor observado e o valor ótimo de sua saída e entrada. [FRIE93] O valor ótimo para processos realizados por computadores é dado pela Lei de Amdahl, que estabelece a relação entre o consumo esperado de recurso para um dado volume processado A Figura ilustra a relação entre os indicadores de produtividade e de eficiência. Existem muitas combinações possíveis entre entradas e saídas, porém, para cada quantidade de entrada existe um único ponto de eficiência, dado pela Lei de Amdahl.
- Melhorias obtidas Os resultados obtidos pelo projeto de melhoria de tempo de resposta estão relacionados pelas próximas 3 figuras e registram os índices propostos por [ROGE05] e [HENN03] para aferição de desempenho de sistemas. A Figura ilustra o tempo de transação antes e depois das melhorias.
- A Figura ilustra a diferença na quantidade de transações por dia, antes e depois das melhorias.
- A Figura registra a diferença da utilização do processador, antes e depois das melhorias.
- Análise dos resultados Os resultados do projeto de melhoria de desempenho serão analisados sob o conceito de eficiência proposto por este artigo. A Figura compara os valores de processador necessário e suficiente para realizar o processo no mainframe antes do inicio do projeto de melhoria de desempenho.
- A Figura representa a eficiência do equipamento antes do inicio do projeto de melhoria de desempenho.
- A Figura compara os valores de processador necessário e suficiente após o encerramento do projeto de melhoria de desempenho.
- A Figura representa a eficiência do equipamento ao final do projeto de melhoria de desempenho.
- Causas de ineficiência Desbalanceamento do storage Popularmente, um sistema equilibrado é chamado de sistema “redondo”. Este termo pode ser utilizado para auxiliar no entendimento da distribuição da carga de trabalho em sistemas de armazenamento de dados. O desequilíbrio ocorre quando alguns discos recebem grande quantidade de trabalho enquanto outros apresentam ociosidade. Essa diferença no nível de atividade dos discos causa filas de I/O e as esperas serão administradas pelo sistema operacional, utilizando recursos que seriam mais úteis se estivessem concentrados no processamento de transações on-line e aplicativos batch. A Figura representa a diferença entre a distribuição de carga real e a carga ideal, marcada pelo círculo vermelho central.
- Causas de ineficiência 2 Otimização X Utilização plena Existe a crença que otimizar é utilizar 100% do recurso. Entretanto, recursos com excesso de uso geram longas filas de espera, aumentando o tempo de processo. A Figura ilustra a relação entre utilização de um recurso e a fila formada para receber atendimento. Quanto maior a utilização, maior a fila de espera. Equilibrar um sistema significa não apenas fornecer tempos de respostas aceitáveis pelos usuários, mas também preservar os investimentos necessários ao bom tempo de resposta.
- Este trabalho desenvolveu um método para medir a eficiência de processos executados em computadores de grande porte a partir da relação entre a quantidade de dados processados e a quantidade de recursos computacionais utilizados. Desse forma equiparou um processo de T.I. a um processo industrial que mede sua eficiência através da relação entre insumos e produtos finais. Demonstrou que, mesmo bons resultados obtidos através dos indicadores de tempo de resposta, throughput e uso de processador, podem não levar um mainframe ao seu ponto de eficiência, apesar de melhorar sua produtividade. Conforme citado por [COEL06]: medidas parciais da produtividade podem fornecer uma indicação enganadora da produtividade total quando consideradas isoladamente . A visão global de eficiência é dada pela Lei de Amdahl, que completa 40 anos e permanece válida nos dias atuais, de acordo com [GRAY00]. Em um ambiente banc ário onde o projeto de melhoria foi direcionado pelo conceito de eficiência foi possível confirmar a validade da teoria proposta por este artigo.
- Autores: Antonio Cesar Sartoratto Dias - acsdias@uol.com.br Marcius Fabius Henriques de Carvalho - marcius.carvalho@cenpra.gov.br Referências [AMDA67] E. Amdahl. Validity of the Single Processor Approach to Achieving Large Scale Computing Capabilities. FIPS Conference Proceedings, Vol. 30, pp. 483-485. Atlantic City: AFIPS Press (1967). [AREN07] M. Arenales et al. Pesquisa operacional para cursos de engenharia. Rio de Janeiro: Campus (2007). [COEL06] T. Coelli et al. An introduction to efficiency and productivity analysis. 2 nd ed. New York: Springer (2006). [FRIE93] H. Fried et al (editors). The measurement of productivity efficiency: techniques and applications. Oxford: Oxford University Press (1993). [GRAY00] J. Gray and P. Shenoy. Rules of thumb in data engineering. 16 th International Conference on Data Engineering, San Diego, pp 3-12 (2000). [HENN07] J. Hennessy and D. Patterson. Computer architecture: a quantitative approach. 4 th ed. San Francisco: Morgan Kaufmann (2007). [MENA02] D. Menascé and V. Almeida. Capacity planning for web services: metrics, models and methods. Upper Saddle River: Prentice Hall PTR (2002). [ROGE05] P. Rogers et al. ABC of z/OS System Programming V. 11 : Capacity Planning and Performance Management . Manual técnico SG24-6327-00. Poughkeepsie, NY: IBM ITSO (2005). [SPRU07] W. Spruth. The future of mainframe. Euro CMG 2007 Nürnberg 23-25 Mai 2007. [STAL06] W. Stallings. Computer organization and architecture: designing for performance. 7 th ed. Upper Saddle River: Prentice Hall (2006).