컴퓨터 성능은 어떻게 측정할까?

컴퓨터 성능에서 제일 많은 부분을 차지하는 것은 응답시간과 처리량이다. (response time, throughput)

그냥 모든 기계를 생각해도 비슷할 것이다. 기계가 일을 하는데 걸리는 시간. 즉, 일 하나를 하는데 얼마나 많은 시간이 걸리느냐랑 주어진 시간동안 얼마나 많은 일을 하느냐. 

이 2가지가 컴퓨터의 성능을 결정한다. 

 

성능(performance)는 응답시간(response time)이 짧을 수록 좋을 것이다. 즉 서로 반비례 관게인 것이다. 

예를 들어서, 동일한 일을 수행하는데 A 컴퓨터는 10초가 걸리고, B 컴퓨터는 15초가 걸린다고 가정하자. 

그럼 A컴퓨터가 B컴퓨터보다 성능이 1.5배 좋다라고 생각할 수 있다. 

결국 CPU performance를 측정한다는 것은 CPU time을 기준으로 performance를 측정한다.

 

CPU Time은 어떻게 구할까?

CPU Time = CPU Clock Cycles X Clock Cycle Time = CPU Clock Cycles / Clock Rate

해당 식을 어떤 의미인지 확인해보자.

한 Clock당 시간을 Clock Cycle Time이라고 하고, 그럼 총 Cycle을 구하면 CPU Time을 구할 수 있으니까 CPU Clock Cycles(사이클 수)를 곱해주면 전체 시간이 나오게 된다. 

Clock Cycle Time, 즉 한 Clock당 시간은 Clock Rate의 역수이다. 

 

그럼 위의 식에서 CPU Time이 나오는데, CPU Time은 Performance와 반비례 관계라고 했다. 그럼 Performance를 향상시킬 수 있는 방법은 무엇일까? (CPU Time을 작게 만들 수 있는 방법)

- clcok cycles의 수를 줄인다.

- clock rate를 늘린다. = cycle time을 줄인다.

- 그런데 늘 위의 방법을 한다고 다 빨라지는건 아니다. Clock Rate를 증가시키다보면 CPU Clock Cycles가 증가할 수도 있고 이런 문제가 생긴다. (서로 trade off가 있다)

 

조금 더 자세히 Clock Cycles를 살펴보자. 

Clock Cycles = Instruction Count X Cycles per Instruction(CPI)
즉, Clock Cycle은 명령어의 갯수 X 명령어당 필요한 Cycle의 수.

여기서 instruction 1개당 필요한 cycle 수가 CPI이다. 그럼 다음과 같은 식이 나온다. 

 

Instruction Count는 알고리즘을 어떻게 짜느냐, 어떤 ISA를 갖고 있느냐, compiler에 따라 개수가 바뀐다.

 

하나의 cycle당 하나의 명령어를 처리한다고 생각할 수 있는데, 그게 아니라 하나의 명령어도 여러 cycle로 걸린다.

그래서 Instruction에 따라서 몇 cycle이 필요한지, 명령어에 따라 다르다. (CPI가 다 다르다)

 

Average CPI(Average Cycles Per Instruction)는 CPU 하드웨어에 의해 결정되고 다른 instruction을 가지면 다른 CPI를 가지게 된다. 

 

이제는 CPI에 대해서 더 자세히 알아보겠다. 

Clock Cycles은 총 사이클 도는데 걸리는 시간이라고 했다. 그리고 명령어마다 필요한 cycle이 다르다.

따라서, CPI에 Instruction개수를 곱한 값들의 합이 Clock Cycles이 된다.

CPI는 명령어 타입마다 다르기 때문에,CPI와 Instruction count는 다 다르기 때문에 저렇게 다 곱해서 더해야지 정확한 Clock Cycles의 값이 나오게 되는 것이다.

 

그럼 평균값도 똑같다.

CPI의 평균 값은 Clock Cycles을 총 Instruction Count로 나누어주면 된다(그냥 위의 계산의 반대이다.)

여기서 Instruction Count / 총 Instruction Count 를 Relative Frequency라고 한다. 그럼 해당 명령어가 총 명령어에 사용된 비율을 알 수 있다.