[컴퓨터시스템구조] 03. 성능 측정

성능

• 응답 시간(Response time) : 작업을 수행하는 데 걸리는 시간
• 처리량(Throughput) : 단위 시간당 수행된 총 작업(예: 작업/트랜잭션/… 시간당)
  
  
• 응답 시간과 처리량은 어떤 영향을 받는가?
  
  • 응답시간 : 프로세서를 더 빠른 버전으로 교체
  • 처리량 : 더 많은 프로세서를 추가
•  이 수업에서는 응답 시간에 집중 → 싱글코어에 집중한다.

 

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상대적 성능

• 성능 = 1 / 실행 시간
• "X는 Y보다 n배 빠릅니다."

X 성능 / Y 성능 = Y 실행시간 / X 실행시간 = n

 

• 예: 프로그램을 실행하는 데 걸린 시간
  
  • A : 10초, B : 15초
  • B 실행시간 / A 실행시간 = 15s / 10s = 1.5
  • 따라서 A는 B보다 1.5배 빠릅니다.

 

실행 시간 측정

• 경과 시간(Elapsed time)
  
  • 모든 측면을 포함한 총 응답 시간
    • 프로세싱, I/O, OS 오버헤드, 유휴 시간
  • 시스템 성능을 결정한다.
    
    
• CPU 시간
  
  • 주어진 작업을 처리하는 데 소요된 시간
    • 경과시간에서 I/O 시간과 다른 작업 할당량 빼기
  • 사용자 CPU 시간 & 시스템 CPU 시간
  • 프로그램 마다 CPU 및 시스템 성능에 따라 다르게 영향을 받는다.

 

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CPU 클로킹

• 일정한 속도의 클럭으로 제어되는 디지털 하드웨어의 작동
  
  
• 클럭 주기(period) : 클럭 사이클의 지속 시간
  
  • 250ps = 0.25ns = 250×10^(–12)s
    
    
• 클럭 주파수(frequency) : 초당 사이클
  
  • 4.0GHz = 4000MHz = 4.0×10^9Hz

주의사항
클럭 주기(period)의 단위는 시간!
클럭 주파수(frequency)의 단위는 Hz!
1 KHz = 1 ㎳
1 MHz = 1 ㎲
1 GHz = 1 ㎱

 

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CPU 시간

CPU Time : CPU 시간
CPU Clock Cycle : CPU 클럭 싸이클
Clock Cycle Time : 클럭 싸이클 시간
Clock Rate : 클럭 속도

CPU 시간
= CPU 클럭 싸이클 X 클럭 싸이클 시간
= CPU 클럭 싸이클 / 클럭 속도

 

• 성능 향상(CPU 시간 감소)
  
  • 클럭 사이클 수 감소
  • 클럭 속도 증가
  • 하드웨어 설계자는 사이클 수와 클럭 속도를 절충(trade-off)

 

CPU 시간 예

• 컴퓨터 A
  • 클럭 속도 : 2GHz
  • CPU 시간 : 10초
• 컴퓨터 B 설계
  
  • CPU 시간 6초를 목표
  • 클럭 싸이클이 A의 1.2배 → 클럭 싸이클(B) = 1.2 X 클럭 싸이클(A)
• 컴퓨터 B의 클럭 속도를 구하라.

클럭 속도(B) = 클럭 싸이클(B) / CPU 시간(B) = 1.2 x 클럭 싸이클(A) / 6s
클럭 싸이클(A) = CPU 시간(A) X 클럭 속도(A) = 10s X 2GHz = 20 X 10^9
클럭 속도(B) = 1.2 X 20 X 10^9 / 6s = 4GHz

 

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명령어 수 및 CPI

CPI(Clock per Instruction) : 클럭 per 명령어
Insturction Count : 명령어 수

클럭 싸이클 = 명령어 수 X CPI

CPU 시간
= 명령어 수 X CPI X 클럭 싸이클 시간
= 명령어 수 X CPI / 클럭 속도

 

• 프로그램의 명령어 수
  
  • 프로그램, ISA, 컴파일러에 의해 결정된다.
    
    
• 평균 사이클 per 명령어
  
  • CPU 하드웨어에 따라 결정된다.
  • 명령어마다 CPI가 다른 경우 : 평균 CPI
    • 평균 CPI는 Instruction mix에 영향을 받는다.

 

CPI 예

• 컴퓨터 A
  • 클럭 사이클 시간 : 250ps
  • CPI : 2.0
• 컴퓨터 B
  • 클럭 사이클 시간 : 500ps
  • CPI : 1.2
• ISA가 같을 때  어느 것이 더 빠르고, 얼마나 더 빠른가?

CPU 시간(A) = 명령어 수 X CPI(A) X 싸이클 시간(A) = I X 2.0 X 250ps = I X 500ps
CPU 시간(B) = 명령어 수 X CPI(B) X 싸이클 시간(B) = I X 1.2 X 500ps = I X 600ps
CPU 시간(B) / CPU 시간(A) = 600 / 500 = 1.2

B가 A보다 1.2배 빠르다.

 

CPI

다른 명령어 클래스가 서로 다른 사이클 수를 사용하는 경우

클럭 싸이클 = n개의 (CPI X 명령어 수)

 

평균 CPI 가중치

평균 CPI = 클럭 싸이클 / 명령어 수 = n개의 (CPI X 명령어 i번째 수 / 명령어 수)

 

CPI 예

클래스	A	B	C
CPI	1	2	3
1번 명령어 수	2	1	2
2번 명령어 수	4	1	1

• 1번일 때 명령어 수 = 5이면
  • 클럭 싸이클 = 1X2 + 2X1 + 3X2 = 10
  • 평균 CPI = 10/5 = 2
• 2번일 때 명령어 수 = 6이면
  • 클럭 싸이클 = 1X4 + 2X1 + 3X1 = 9
  • 평균 CPI = 9/6 = 1.5

 

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성능 요약

CPU 시간 = (명령어 / 프로그램) X (클럭 싸이클 / 명령어) X (시간 / 클럭 싸이클)

• 성능은 다음에 따라 달라진다.
  
  • 알고리즘 : IC, CPI에 영향
  • 프로그래밍 언어 : IC, CPI에 영향
  • 컴파일러 : IC, CPI에 영향
  • 명령어 세트 아키텍처 : IC, CPI, 클럭 싸이클에 영향