[Chapter 1.2 컴퓨터 구조 및 설계] 컴퓨터의 성능과 CPU Time

본 정리는 CS422-컴퓨터 구조 및 설계 : 하드웨어/소프트웨어 인터페이스. David A. Patterson,존 헤네시 책을 바탕으로 하고 있음을 미리 알립니다.

 

성능

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어떤 컴퓨터가 다른 컴퓨터보다 성능이 좋다는 것은 무엇을 뜻하는 것일까?

속도가 빠르다? 안전성이 높다? 데이터를 많이 전송할 수 있다? 등등 매우 다양하다.

즉, 우리가 성능을 정의하기 위해선 성능이 무엇인지부터 정의해야 한다.

 

위 그림은 비행기의 예시인데, 잘 보고 생각해보면 가장 빠른 비행기는 Bac/Sud Concorde일지는 몰라도 가장 많은 승객을 수송할 수 있는 것은 Airbus A380-800 일 것이다.

 

이제 여러 관점에서 성능을 정의해보면

1. 응답 시간(response time) : 작업 개시에서 종료까지의 시간 즉, 태스크를 완료하기까지의 총 소요시간으로 디스크 접근 메모리 접근, 입출력 작업, CPU 시간을 다 포함한다. 실행 시간(execution time)이라고도 한다.
2. 처리량(throughput) : 일정 시간 동안 처리하는 작업의 양, 대역폭(bandwidth)라고도 한다.

즉, 응답 시간이 중요한 개인 휴대용 기기와 처리량이 더 중요한 서버의 성능을 평가할 때는 다른 성능 척도를 사용해야 한다.

 

상대 성능

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X가 Y보다 N배 빠르다 할 때, 이 N을 구하는 방법은

X의 성능 / Y의 성능을 구하면 되는데, 성능과 실행 시간은 반비례한다.(실행시간이 짧아야 성능이 좋다.)

 

즉, 공식은

이 된다.

 

예를 들어, 같은 프로그램을 실행하는데 컴퓨터 A에서 10초 B에서 15초 걸렸다면, A는 B보다 15/10 = 1.5배 빠르다는 것을 알 수 있다.

 

성능의 측정

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시간은 컴퓨터 성능의 가장 기본적인 척도이다. 이 시간도 우리가 재는 방법에 따라 여러 가지로 정의할 수 있다.

1. 벽시계 시간(Wall clock Time): 위에서 말한 응답 시간과 같다. 다시 한번 정의하자면 작업 개시에서 종료까지의 시간 즉, 태스크를 완료하기까지의 총 소요시간으로 디스크 접근 메모리 접근, 입출력 작업, CPU 시간을 다 포함하는 시간이다.
2. CPU 시간(CPU Time) : 위 벽시계 시간과 구분해서 프로세서가 순수하게 이 프로그램을 실행하기 위해 소비한 시간.(응답 시간에서 디스크 접근 메모리 접근, 입출력 작업 시간 등을 뺀 시간) 
   1. 사용자 CPU 시간 : 프로그램 자체에 소비된 CPU 시간.
   2. 시스템 CPU 시간 : 프로그램 수행을 위해서 운영체제가 소비한 CPU 시간

참고 : 사용자 CPU 시간과 시스템 CPU 시간은 운영체제의 각 작업이 어떤 프로그램을 위해서 수행되고 있는가를 명확히 가려내는 것이 어렵고 운영체제 간의 기능 차이도 있기 때문에 정확히 구하는 것이 쉽지 않다.

 

CPU 관점에서 성능의 측정

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컴퓨터의 설계자는 하드웨어가 기본 함수를 얼마나 빨리 퍼리 할 수 있는지와 관련된 성능 척도를 필요로 한다. 거의 모든 컴퓨터는 하드웨어 이벤트가 발행하는 시점을 결정하는 클럭을 이용하여 만들어진다.

이 클럭의 간격을 클럭 사이클 (Clock cycle)이라 한다.

이때 한 사이클에 걸리는 시간을 두 가지로 표현한다.

1. 클럭 주기 (Clock period 혹은 Clock Cycle Time) : 한 사이클에 걸리는 시간
2. 클럭 속도 (Clock Frequency 혹은 Clock Rate) : 1초에 몇 사이클이 도는지. 즉, 클럭 주기의 역수이다.

클럭 주기 250ps를 클럭 속도로 나타내면 ps는 10^-12 second이므로 1/250*10^-12 = 10^12/250 = 4*10^9이므로 4.0 GHZ가 된다

 

참고 ↓ 

1000 K	1/1000 m	3제곱
1000000 M	1/1000000 u	6제곱
1000000000 G	1/1000000000 nano	9제곱
1000000000000 T	1/1000000000000 piko	12제곱
1000000000000000 P		15제곱

 

이제 우리는 CPU Time을 클럭 사이클과 클럭 주기를 통해서 나타낼 수 있다.

 

CPU Time은 어떤 일을 하는데 걸리는 클럭 사이클의 총시간으로 나타낼 수 있는데,

클럭 사이클의 총시간은 프로그램의 클럭 사이클 총 수 * 클럭 주기로 나타낼 수 있기 때문이다.

CPU Time을 구하는 공식

즉, 우리는  클럭 사이클의 길이를 줄이거나 클럭 사이클 수를 줄이면 성능을 개선할 수 있다.

 

예시 문제 )

같은 프로그램을 실행한다고 우선 가정해보자.

A 컴퓨터가 2 GHz의 Clock Rate를 갖고 있고, 이 프로그램을 실행할 때, 10 CPU Time이 소요된다고 하자.

B 컴퓨터를 설계하는데, 6초의 CPU Time이 걸리게 하고 싶다고 할 때, Clock Rate를 얼마든지 빠르게 만들 수 있는데, A 컴퓨터에서보다 1.2배만큼 Clock Cycle이 증가한다고 할 때 B의 Clock Rate는 몇으로 해야 할까?

 

답↓ 

위 식에 의하여, A의 Clock Cycles는

 

10 second = A의 Clock Cycles/2*10^9*cycles/second(속도)

A의 Clock Cycles = 20 *10^9 cycles

 

즉 이제 B를 구해보면,

 

1.2*20*10^9 cycles/B의 ClockRate = 6 second

B의 ClockRate = 4*10^9 cycles/second 가 된다.

즉, 4 GHz가 된다.

 

명령어 성능

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그렇다면 위에서 정의한 Clock Cycles 수를 어떻게 알 수 있을까? 

프로그램을 실행할 때 컴파일러가 실행할 명령어를 생성하고 컴퓨터는 이 명령어를 실행해야 하기 때문에 결국 Clock Cycle은 명령어의 수로 관련하여 나타낼 수 있다.

명령어마다 걸리는 Cycle 수가 다르므로,

 

Clock Cycles 수 = 명령어 수 * Average CPI (Cycles per Instruction 즉, 명령어 마다 걸리는 Cycle 수의 평균)

으로 나타낼 수 있다.

 

 

CPU Time 공식의 확장

 

같은 프로그램이라고 해서 명령어의 수가 모두 동일한가?

대답은 '아니오.'이다. 

 

1-1에서 설명한 바와 같이 컴파일러와 ISA가 달라지면 기계어도 달라지기 때문에 달라지게 된다는 점을 유의해야 한다.

 

예시 문제 )

Computer A: Cycle Time = 250ps, CPI = 2.0

Computer B: Cycle Time = 500ps, CPI = 1.2

동일한 ISA와 컴파일러를 갖고 있다고 할 때 무엇이 얼마나 더 빠른가?

 

답↓ 

동일한 ISA와 컴파일러를 갖고 있으므로 명령어의 수가 동일하다.

명령어의 수를 I라고 하면,

A CPU Time =  I*2.0(명령어당 걸리는 Cycle) *250ps(한 사이클마다 몇 초가 걸리는지) = 500*I ps

B CPU Time =  I*1.2(명령어당 걸리는 Cycle) *500ps(한 사이클마다 몇초가 걸리는지) = 600*I ps

 

즉, A가 1.2배 더 빠르다.

 

위에선 평균 CPI로 구했는데, 더 구체적으로 들어가면

각 명령어마다 CPI가 다르고 각 명령어의 수가 다르기 때문에

CPI*명령어 수를 명령어의 종류마다 해주어서 더해주어야 그것이 Clock Cycles가 된다.

구체화된 Clock Cycles

CPI는 Cycles per Instruction 이므로, Clock Cycle / Instruction count로 나타낼 수 있다.

이때 위에서 구한 Clock Cycle 공식을 대입하면 다음과 같이 CPI를 나타낼 수 있다.

CPI를 구하는 공식

즉, 이제 우리는 명령어의 실질적인 개수가 아니라 빈도수만 알고 있어도 그것에 각 CPI를 곱해서 더하여 CPI를 구할 수 있다.

빈도수만 알아도 Cycle과 곱해서 CPI를 알 수 있게 된다.

 

예시 문제 )

CPI for instruction classes A, B, C

다른 컴파일러에 의해 1과 2 코드로 실행 명령어의 개수가 다음과 같아졌다.

1. 어떤 코드가 더 많은 명령어를 실행하는가?

2. 어느 것이 더 빠른가?

3. 각 코드의 CPI는 얼마인가?

 

답↓ 

1. 명령어의 수는 1번이 5개 2번이 6개로 2번이 더 많다.

 

2.

1번의 클럭 사이클은 (2*1) + (1*2) + (2*3) = 10

2번의 클럭 사이클은 (4*1) + (1*2) + (1*3) = 9

이므로 1번이 더 빠르다

 

3. 

CPI 1 = 10/5

CPI 2 = 9/6

 

즉 명령어의 수가 많아진다고 무조건 느려지는 것은 아니다 라는 것을 알 수 있다

 

요점 정리

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결국 중요한 것은 컴퓨터 성능에 대한 완벽하고 믿을 만한 척도는 실행시간 밖에 없다는 것이다.

명령어의 개수를 줄이기 위해 명령어 집합을 바꾸었을 때 클럭 속도가 느려지거나 CPI가 커져서 성능이 나빠질 수도 있다.

 

 

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