[컴퓨터구조] CPU 성능, Clock Speed, CPI

컴퓨터의 성능이란?

'어떤 컴퓨터가 더 빠른가?' 혹은 '어떤 컴퓨터가 성능이 더 좋은가?'라는 질문은 무엇을 의미할까요? 보통 속도가 빠르면 성능이 좋다고 생각할 수 있지만 항상 그런 것은 아닙니다.

여객기를 생각해보죠. 여객기 A는 여객기 B보다 속도가 3배 빠릅니다. 하지만 여객기 A는 한번에 100명의 승객을 수용할 수 있는 반면 여객기 B는 한번에 400명의 승객을 수용할 수 있습니다. 승객의 입장에서는 여객기 A가 좋겠지만 항공사 입장에서는 여객기 B가 더 좋을 것입니다. 이처럼 어떤 관점에서 평가하느냐에 따라 성능에 대한 평가가 달라집니다.

이와 마찬가지로 일반 개인 사용자의 입장에서는 하나의 작업을 개시하고 종료하는데 걸리는 시간이 빠른 것이 좋겠죠. 이를 응답시간(Response Time), 혹은 실행시간(Execution Time)이 빠르다고 합니다. 그러나 구글의 데이터센터처럼 엄청나게 많은 일을 처리해야 하는 곳에서는 작업 하나하나를 처리하는 시간은 좀 느리더라도 한번에 여러 작업을 처리할 수 있어서 일정 시간동안 처리할 수 있는 양이 더 많은 것이 좋겠죠. 이처럼 단위 시간동안 처리하는 작업의 양을 처리량(Throughput) 혹은 대역폭(Bandwidth)라고 합니다. 여기서는 응답시간에 초점을 맞춰서 이야기를 해보겠습니다.

 

성능비

실행시간을 기준으로 성능은 다음과 같이 정의됩니다.

Performance = 1 / Execution Time

따라서 어떤 컴퓨터 X와 다른 컴퓨터 Y의 성능비는 다음과 같이 표현할 수 있습니다.

이는 컴퓨터 X가 컴퓨터 Y보다 N배 빠르다, 혹은 N배 성능이 좋다는 말과 같습니다.

 

Clock Speed & CPI (Clock Cycle per Instruction)

컴퓨터는 클럭 펄스에 맞춰 명령어를 처리하죠. 클럭이 한번 도는 동안 메모리에서 명령어를 가져와서, 해석하고, 처리합니다. 이와 관련해서 궁금하신분들은 아래의 동영상을 참고해보세요.

https://www.youtube.com/watch?v=FZGugFqdr60&list=PLH2l6uzC4UEW0s7-KewFLBC1D0l6XRfye&index=8

클럭 펄스가 한번 '톡' 튀고 다음 클록 펄스가 튀기까지 CPU는 여러가지 일을 처리하는데, 이를 클럭 사이클(Clock Cycle)이라고 하고 클럭 사이클이 한번 도는데 걸리는 시간을 클럭 주기(Clock Period)라고 합니다. 클럭 사이클 한번에 1초가 걸린다면 클럭 주기는 1초인 것이지요.

클럭 속도(Clock Speed)는 클럭 주기의 역수입니다. 만약 클럭 주기가 0.5초이면 클럭 속도는 1/0.5 = 2 이고 단위는 헤르츠(Hz)로 표기합니다. 즉 클럭 속도는 2Hz이고 이는 1초에 클럭 사이클을 두 번 돈다는 것이죠.

이를 바탕으로 CPU의 실행시간을 어떻게 표현할 수 있을까요?

만약 프로그램 하나를 처리하는 데 클럭 사이클을 200번 돌아야하고, 클럭 사이클 한번을 도는데 0.5초가 필요하다면 이 프로그램을 실행하는데는 200 X 0.5 = 100초가 필요하겠네요. 클럭 속도와 클럭 주기는 역수 관계이므로 프로그램의 실행시간은 아래의 두 식으로 표현할 수 있겠네요.

프로그램의 CPU 실행시간 = 프로그램의 CPU 클럭 사이클 수 X 클럭 사이클 시간

프로그램의 CPU 실행시간 = 프로그램의 CPU 클럭 사이클 수 / 클럭 속도

프로그램 하나는 여려 종류의 명령어들로 구성되어 있습니다. 그러니까 실행시간은 프로그램의 명령어 수에 비례하겠네요. 이런 관점에서 실행 시간을 명령어 수에 명령어의 평균 실행 시간을 곱한 값으로 계산할 수 있습니다.

CPU 클럭 사이클 수 = 명령어 수 X 명령어당 평균 클럭 사이클 수

명령어는 종류마다 필요한 클럭 사이클 수가 다르므로  한 명령어에 필요한 사이클 수는 전체 클럭 사이클 수의 평균으로 표현합니다. 이렇게 명령어 하나를 처리하는데 필요한 클럭 사이클 수를 CPI(Clock Cycles per instruction)이라고 합니다. 명령어 수는 흔히 IC(Instruction Count)라고 표현합니다.

자 이제 우리는 고전적인 CPU 성능식이 무엇을 의미하는지 알 수 있습니다.

CPU 시간 = IC X CPI / Clock Speed