[책] Ch02. 컴퓨터의 발전과 성능

컴퓨터의 세대별 발전

반도체 기술의 획기적인 발전에 따라 컴퓨팅 환경은 크게 진화하고 있음

• 1970년대 : 메인 프레임 시대, 단일 컴퓨터를 다수의 전문 사용자가 공유
• 1990년대 : 개인 컴퓨팅 시대, 하나의 컴퓨터를 한 사람이 전용
• 현재 : 유비쿼터스(Ubiquitous), 언제 어디서나 다수의 컴퓨터를 개인이 사용

컴퓨터의 세대별 특징

세대	소자	기억장치
0세대	기계적 릴레이	금속 기어, 카드
1세대	진공관	자기드럼
2세대	트랜지스터	자기코어
3세대	SSI, MSI	RAM, ROM
4세대	LSI, VLSI	SRAM, DRAM
5세대	VLSI, ULSI, GLSI, SoC	SDRAM, DRAM, flash

3세대 이후의 컴퓨터는 다수의 트랜지스터를 하나의 칩으로 집약한 집적회로(IC, Intergrated Circuit) 를 기반으로 함

5세대 컴퓨터는 자연어 처리, 지능형 컴퓨터, 전문가 시스템, 로봇, 종합 정보 통신망 등과 같은 분야에 사용됨

현대 컴퓨터 발전과 발전의 지표

폰노이만 아키텍처

폰노이만 모델은 1936년에 발표된 앨런 튜링의 유니버설 기계 모델을 구체화한 형태이다. 이전에는 고정결선식 프로그램 방식을 사용하였다.

• 고정결선식 프로그램 모델
  • 미리 정의된 기능을 물리적 / 하드웨어적으로만 설계한 기계임
  • 처음 설계할 당시 설정한 기능 외에는 사용할 수 없음
• 프로그램 내장식 컴퓨터
  • 폰 노이만이 제안한 컴퓨팅 모델
  • 프로그램 자체와 프로그램에서 사용하는 데이터를 동일한 형태로 메모리에 저장할 수 있는 구조
  • 프로그램만 변경하면 데이터를 다양한 방식으로 처리할 수 있는 현대 범용 컴퓨터 개념의 시초 -> 소프트웨어의 개념을 탄생시킴

무어의 법칙

무어의 법칙은 인텔의 공동 창업자 고든 무어가 경험적 관찰에 의해 예측한 것으로, 단일 마이크로칩에 포함된 트랜지스터의 수가 18개월마다 약 2배씩 증가한다는 것을 의미한다.

최근 많은 전문가들은 집적 기술이 이미 한계에 도달했기 때문에 무어의 법칙을 유지하기가 어려울 것으로 보며, 이를 무어의 벽이라고 한다.

컴퓨터의 성능

성능의 정의

컴퓨터의 성능은 사용하는 사람에 따라 응답 시간, 처리율 등을 기준으로 잡지만, 이 둘은 완전히 별개의 요소가 아니라 한 쪽이 향상되면 다른 쪽도 향상된다. 따라서 여기서는 사용자 관점의 성능인 응답 시간을 기준으로 한다.

• 응답 시간 : 하나의 프로그램을 처리하는데 소요되는 시간
• CPU 실행 시간 : 입출력이나 시분할 시스템 등에서 다른 프로그램의 실행 시간을 제외한 순수하게 사용된 시간

$$ 성능 = { 1 \over CPU 실행 시간 } $$ $$ M1에 대한 M2의 성능 비율 = n = { M2의 성능 \over M1의 성능 } = { M2의 실행 시간 \over M1의 실행시간 } $$

암달의 법칙

시스템의 일부분을 개선하는 경우 전체 시스템에서 얻을 수 있는 최대 성능 향상을 구할 때 사용한다. 주로 병렬화에 의한 시스템 성능 향상의 한계를 지적하는데 사용된다.

수식의 경우는 다음 링크를 참고 암달의 법칙은 어떤 시스템을 개선하여 전체 작업 중 P%의 부분에서 S배의 성능이 향상되었을 때 전체 시스템에서 최대 성능이 얼마나 향상되는지 구하는 것이다.

예를 들어, 사칙연산을 수행하는 시스템에서 덧셈 및 뺄셈의 실행 시간이 2/3를 차지하고, 덧셈 및 뺄셈을 수행하는 가감산기의 성능을 개선한다고 할 때, 암달의 법칙에 따라 가감선기의 성능을 극한까지 개선한다고 해도 기존 시스템의 성능에서 3배 이상 개선할 수 없다.

이는 병렬화 등의 방법으로 시스템 일부의 성능을 개선함으로써 최적의 성능을 얻는 것도 좋지만 성능이 개선되지 않는 부분을 최소화하는 것이 중요하다는 점을 시사한다.

CPU 성능 분석

성능에 영향을 미치는 요소

프로그램의 실행 시간은 다음과 같이 3개의 요소로 나타낼 수 있다.

$$ { CPU 실행 시간 \over 프로그램 } = { 명령어 개수 \over 프로그램 } \times { 사이클 개수 \over 명령어 } \times { 시간 \over 사이클 } $$

1. 프로그램의 크기
   • 하나의 프로그램에 포함된 명령어 개수
   • 종류의 수가 아님
2. CPI(Cycles per Instruction)
   • 하나의 명령어를 실행하는데 필요한 클록 사이클의 수
   • CPI는 명령어마다 다를 수 있기 때문에 여기서는 평균 CPI를 사용
3. 사이클 시간
   • 한 클록 사이클에 소요되는 시간
   • 사이클 시간의 역수를 클록률 또는 클록 속도라고 함

CPU 실행 시간을 다시 정리하면 다음과 같다.

$$ 프로그램의 CPU 실행 시간 = 명령어 개수 \times 평균 CPI \times 사이클 시간 = { 명령어 개수 \times 평균 CPI \over 클록 속도 }$$

성능에 영향을 미치는 요소의 분석

컴퓨터 설계자는 프로그램의 크기, 평균 PCI, 프로세서 클록 사이클 이 세가지 요소를 모두 낮추려고 하지만, 서로 충돌하는 관계에 있다. 그리고 이들은 명령어 수준의 아키텍처, 컴퓨터의 구성과 관련된 컴퓨터 구현, 기술적 수준인 컴퓨터 실현에 의해 좌우된다.

아래 표는 성능에 영향을 미치는 요소 사이의 관계를 정리한 것이다.

구분	명령어 개수	평균CPI	클록 속도
알고리즘	O
아키텍처	O	O	△
컴퓨터 구현		O	O
컴퓨터 실현			O

명령어 개수

• 알고리즘과 아키텍처에 의해 결정
• 개선 방법
  • 좋은 알고리즘을 사용
  • 강력하고 복잡한 명령어를 가진 아키처인 CISC(Complex Instrcution Set Computer) 구조를 사용

평균 CPI

• 아키텍처와 컴퓨터 구현에 의해 결정
• 개선 방법
  • 단순한 명령어로 구성된 RISC(Reduced Instrcution Set Computer) 아키텍처를 사용
  • 병령화와 파이프라이닝 같은 고급 기술 등을 사용해 연산을 병렬로 구현

클록 사이클 시간

• 주로 컴퓨터 구현과 실현 수준에 의해 결정
• 아키텍처도 영향을 줄 수 있음. 복잡한 명령어는 일반적으로 사이클 시간이 길어질 수 있기 때문
• 컴퓨터 구현 수준
  • 데이터 경로가 짧으면 일반적으로 지연 시간이 짧아짐 -> 사이클 시간도 짧아짐
  • 파이프라이닝 기술 사용 -> 한 사이클 동안 수행할 작업 양 감소 -> 클록 속도 증가
• 컴퓨터 실현 수준
  • 동일한 면적에 더 많은 트랜지스터를 집적할 수 있음 -> 클록 속도 향상
  • 따라서 반도체 제조 기술은 이 요소에 영향을 미침

따라서 시스템의 성능을 향상하기 위해 아키텍처, 컴퓨터 구현, 컴퓨터 실현 사이의 적절한 절충이 필요하다.

벤치마크와 성능 척도

벤치마크

두 시스템의 성능을 비교할 때 작업 부하로 선택된 프로그램의 집합을 벤치마크(Benchmark)라고 한다.

TPC(Transaction Processing Performance Council)

• 시스템의 성능 평가 척도를 마련하고 각 회사의 벤치마크 값을 검증하기 위해 발족한 비영리 단체
• 네트워크 상의 여러 이용자가 실시간으로 데이터베이스의 데이터를 갱신하거나 조회하는 등의 단위 작업을 처리하는 시스템에 대한 성능을 평가

MIPS와 MFLOPS

• IPS(Instructions per Second)
  • 컴퓨터의 프로세서 속도를 가늠하기 위한 척도
  • 1초 동안 실행한 명령어 개수를 의미함
• MIPS(Million Instructions per Second)
  • 1초에 수행한 명령어 개수를 100만으로 나눈 값
  • MIPS 값이 높으면 빠른 컴퓨터라고 할 수 있지만, 단순히 명령어 실행 속도를 나타내기 때문에 절대적이라고 할 수는 없음

$$ MIPS = { 명령어 개수 \over 실행시간 \times 10^6 } = { 클록 속도 \over CPI \times 10^6 } $$

• MFLOPS(Million Floating Point Operations per Second)
  • 부동 소수점 연산의 수를 100만으로 나눈 값
  • 부동 소수점 연산은 프로그램에 종속적이며, MFLOPS 값은 정수와 부동 소수점 연산의 상대적 배합, 초월함수 등에 따라 달라질 수 있음
  • 위와 같은 이유들 때문에 성능을 비교하는데 적절하지 않은 경우가 흔하게 발생함

$$ MFLOPS = { 부동 소수점 연산 개수 \over 실행 시간 \times 10^6 } $$

의문

• 현재 기업들은 시스템의 성능을 향상시키기 위해서 구체적으로 어떻게 요소들간 절충을 하고 있는가
• 그렇다면 최근 벤치마크로 사용되는 기준 / 척도에는 어떤 것들이 있는가