[컴퓨터 구조] 컴퓨터의 성능

 

 

 

 

성능의 정의

어떤 컴퓨터가 다른 컴퓨터보다 성능이 좋다는 것의 의미는 무엇일까요?

 

단순히 두 컴퓨터에서 같은 프로그램을 실행시키는 경우, 먼저 실행되고 먼저 끝나는 쪽이 더 성능이 좋다고 볼 수도 있을 것입니다.

 

그러나 여러 대의 서버를 가지고, 여러 사용자의 작업을 처리하는 서비스를 제공하는 경우, 하루 동안 더 많은 작업을 처리하는 컴퓨터가 더 성능이 좋다고 볼 수 있을 것입니다.

 

 

컴퓨터 사용자 개인의 입장에서는 응답시간(response time), 즉 실행시간이 제일 중요한 요소일 것이며,

서버 관리자의 경우에는 처리량(throughput) 혹은 대역폭(bandwidth)이 더 중요할 것입니다.

 

 

강조하고 싶은 내용은 상황에 따라 프로그램의 성능을 측정하는 척도가 달라질 수 있다는 것입니다.

 

 

 

 

예제

 

 

처리량과 응답시간

다음과 같은 변경이 발생하였을 때, 컴퓨터 시스템의 처리량이 증대되는지, 혹은 응답시간이 단축되는지, 혹은 둘 다인지 생각해보세요.

 

1. 컴퓨터의 프로세서를 더 빠른 버전으로 바꾼다.

 

2. 여러 개의 프로세서가 각기 다른 태스크를 담당하는 시스템에 프로세서를 하나 추가합니다.

 

 

 

 

✔️ 답

응답시간을 단축시키면 거의 대부분의 경우 처리량은 좋아질 수밖에 없습니다.

따라서 1번의 경우 응답시간과 처리량 모두 개선됩니다.

 

2번의 경우 특정 태스크의 실행시간이 단축되는 것은 아니므로, 처리량만이 개선됩니다.

 

그러나 2번의 경우에도 처리에 대한 요구가 처리량보다 높을 때, 일부를 큐에 넣어 기다리게 한다고 하였을 때, 이 경우 처리량이 커지면 큐에서 기다리는 시간이 짧아지므로 응답시간도 개선될 수 있습니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

성능과 실행시간

이후 컴퓨터의 성능을 논할 때, 주로 응답시간에 초점을 맞출 것입니다.

 

성능을 최대화하기 위해서는 어떤 태스크의 응답시간 또는 실행시간을 최소화해야 하며, 따라서 성능과 실행시간의 관계는 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.

 

$$성능_X = \frac{1}{실행시간_X}$$

 

 

따라서 컴퓨터 X의 성능이 Y의 성능보다 좋다는 것은

$$성능_X > 성능_Y$$

$$\frac{1}{실행시간_X} > \frac{1}{실행시간_Y}$$

$$실행시간_X < 실행시간_Y$$

를 의미합니다.

 

 

 

두 컴퓨터의 성능을 정량적으로 비교해야 하는 경우가 종종 있습니다.

 

다음과 같은 경우를 정랼적으로 표현하면 'X가 Y보다 n배 빠르다'라고 합니다.

$$\frac{성능_X}{성능_Y} = n$$

 

X가 Y보다 n배 빠른 경우, Y에서의 실행시간이 X에서의 실행시간보다 n배 긴 것입니다.

$$\frac{성능_X}{성능_Y} = \frac{실행시간_Y}{실행시간_X} = n$$

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

성능 측정

대부분의 경우 하나의 프로세서는 여러 프로그램을 동시에 실행합니다.

이런 환경에서는 특정 프로그램의 경과시간(elapsed time)을 최소화하는 것보다는 처리량을 최적화하는 것이 중요할 수 있습니다.

 

 

따라서 경과시간과 구분해서, 프로세서가 순수하게 이 프로그램을 실행하기 위해 소비한 시간을 계산할 수 있습니다.

 

이 시간을 CPU 실행시간(CPU execution time) 또는 단순히 CPU 시간이라 부릅니다.

 

 

(CPU  시간은 입출력에 걸린 시간이나 다른 프로그램을 실행하는 데 걸리는 시간을 포함하지 않으므로, 사용자가 실제 느끼는 응답시간은 CPU 시간이 아닌 경과시간입니다.)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CPU 클럭

컴퓨터 설계자는 하드웨어가 기본 함수를 얼마나 빨리 처리할 수 있는지와 관련된 성능 척도를 필요로 합니다.

 

대부분의 컴퓨터는 하드웨어 이벤트가 발생하는 시점을 결정하는 클럭을 이용하여 만들어집니다.

 

이 클럭의 시간 간격을 클럭 주기(clock period) 혹은 클럭 사이클(clock cycle)라 부릅니다.

 

 

클럭 주기(클럭 사이클)는 한 클럭 사이클에 걸리는 시간(예를 들어 250ps)을 의미하며,

 

클럭 주파수(frequency) 혹은 클럭 속도(rate)는 1초에 발생하는 사이클 수(예를 들면 4 GHz)를 의미합니다.

 

클럭 속도는 클럭 주기의 역수로써, 1초동안 발생하는 클럭 사이클의 개수를 의미합니다.

 

또한 클럭 속도는 빠를수록 크기가 증가합니다. (이거 좀 헷갈렸어요 저는 ㅠㅠ)

 

$$1ns = 1GHz$$

$$2ns = 0.5 GHz$$

 

 

즉 '2GHz는 1초동안 클럭 사이클이 $2 \times 10^9$ 번 발생한다' 의 의미가 되는 것입니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CPU 성능 방정식

$$CPU 시간 = CPU\; 클럭\; 사이클\; 수\times 클럭\; 사이클\; 시간(클럭\; 주기)$$

$$CPU 시간 = \frac{CPU\; 클럭 \; 사이클\; 수}{클럭\; 속도}$$

 

위 공식을 살펴보면 클럭 사이클의 시간을 줄이거나, 프로그램 실행에 필요한 클럭 사이클 수를 줄이면 성능을 개선할 수 있다는 것을 알 수 있습니다.

 

그러나 대부분의 경우 이 둘 중 하나를 감소시킨다면 다른 하나는 증가하게 됩니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

명령어 성능

프로그램을 실행하기 위해서는 여러개의 명령어(인스트럭션)가 필요합니다.

즉 프로그램의 실행시간은, 프로그램이 필요로 하는 명령어 수와 관련이 있습니다.

 

이런 관점에서, 실행시간을 실행 명령어 수에 명령어의 평균 실행시간을 곱한 값으로 계산할 수 있습니다.

 

또한 프로그램 실행에 필요한 클럭 사이클 수는 다음과 같이 구할 수 있습니다.

 

$$CPU \; 클럭\; 사이클\; 수 = 명령어\; 수 \times \; 명령어당 \; 평균 \; 클럭\; 사이클 \; 수$$

 

명령어당 클럭 사이클 수(clock cycles per instruction)는 CPI로 줄여 부르기도 합니다.

 

CPI는 다음과 같이 구할 수 있습니다.

CPI = $\frac{CPU\;클럭\;사이클\;수}{명령어 \;개수}$

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CPU 성능식 정리

$$(프로그램의)\; CPU\; (실행)시간\; = (프로그램의)\; CPU \;클럭 \;사이클 \;수 \;\times \;클럭 \;사이클 \;시간$$
$$= \frac{프로그램의\; CPU \;클럭\; 사이클 \;수}{클럭 \;속도(빈도수)}$$
$$= 명령어\; 수\; \times \;명령어당\; 평균\; 클럭\;사이클\;수\; \times\; 클럭\; 사이클\; 시간$$
$$= 명령어\; 수\; \times \;CPI\; \times\; 클럭\; 사이클\; 시간$$
$$= \frac{명령어\; 수\; \times \;CPI}{클럭 \;속도} $$