컴퓨터 구조 1 - Reducing Power

In CMOS IC tech

 

 

Reducing Power

새로운 CPU가 이전 CPU의 85% 정도의 capacitive load(커패시터 부하)를 가지고 있다고 가정할 때, 전압을 15% 낮추고 주파수를 15% 낮추면 전력 소비를 줄일 수 있습니다. 그리고 이를 수식으로 나타내면 위와 같습니다. 이 수식을 통하여 새로운 CPU가 전력을 어떻게 소비하는지와 이전 CPU와 비교한 전력 소비량의 차이를 계산할 수 있습니다.

 

그러나, 전압(voltage)을 더 낮출 수 없고 더 이상 열(heat)을 제거할 수 없을 때 최대 성능을 얻기 위해 어떻게 해야 하는지에 대한 고민이 필요할 것 같은데요? 이를 통해 전력 소비를 줄이면서 성능을 향상시키는 최적의 방법을 찾는 것이 중요합니다.

 

Multiprocessors

 

Multicore microprocessors는 하나의 칩 당 둘 이상의 프로세서를 가지고 있는데, 이는 명시적으로 병렬 프로그래밍을 필요로 합니다. 이는 명령어 수준의 병렬성과 비교됩니다. 명령어 수준의 병렬성은 하드웨어가 동시에 여러 명령어를 실행하게 하는 방식이며, 이는 프로그래머로부터 숨겨져 있습니다.

 하지만 명시적으로 병렬 프로그래밍을 해야 하는 멀티코어 시스템은 프로그래머가 병렬성을 명시적으로 다루어야 하므로 더욱 어려운 문제입니다. 이를 위해 프로그래머는 성능을 위한 프로그래밍, 로드 밸런싱, 통신 및 동기화 최적화 등의 다양한 문제들을 고려해야 합니다. 이를 통해 멀티프로세서 아키텍처를 최대한 활용하여 성능을 끌어올리는 것이 중요합니다.

 

SPEC CPU Benchmark

SPEC CPU 벤치마크는 성능 측정을 위해 사용되는 프로그램으로, 실제 workload와 유사한 프로그램을 사용합니다. 이는 CPU, I/O, 웹 등을 위한 벤치마크를 개발하는 표준 성능 평가 기관인 SPEC에서 제공됩니다. SPEC CPU2006은 선정된 프로그램을 실행하는 데 걸리는 경과 시간을 측정합니다. 이는 I/O가 미미하므로 CPU 성능에 초점을 맞추는 것입니다.

SPEC CPU2006은 참조 머신과 비교하여 상대적인 정규화를 수행하고, CINT2006(정수) 및 CFP2006(부동 소수점)과 같은 성능 비율의 기하 평균으로 요약합니다. 이를 통해 다양한 하드웨어 아키텍처 간의 성능을 비교하고 분석할 수 있습니다.

 

SPEC Power Benchmark

. SPEC Power 벤치마크는 서버의 전력 소비를 다른 워크로드 수준에서 측정하기 위해 사용됩니다. 이는 성능을 ssj_ops/초로 측정하고 전력을 와트(초당 줄)로 측정합니다. 그러므로 ssj_ops/와트는 성능 비율에서 전력 소비 비율을 나타냅니다. SPEC Power는 다양한 워크로드에서 서버의 전력 소비를 측정하여, 최적의 전력 효율성을 갖는 하드웨어 아키텍처를 비교하고 분석할 수 있습니다. 이는 에너지 효율성이 중요한 데이터 센터 환경에서 매우 중요한 측면입니다.

 

Amdahl의 법칙 ( Amdahl’s Law )

Amdahl의 법칙은 컴퓨터의 한 측면을 개선하고 전체 성능이 비례적으로 향상될 것으로 기대하는 것이 잘못된 것임을 나타냅니다. 즉, 전체 시스템의 성능은 개선되지 않을 수 있습니다. 이 법칙은 T affected와 T unaffected를 사용하여 전체 시스템의 성능을 계산합니다. 여기서 T affected는 개선된 부분에서 사용되는 시간이고, T unaffected는 개선되지 않은 부분에서 사용되는 시간입니다. 이 법칙은 전체 시스템 성능이 개선되지 않을 수 있음을 보여주며, 이는 대개 특정 작업에서 병목 현상이 발생할 때 일어납니다. 이 법칙의 부수적인 결과로, "make the common case fast"라는 원칙이 제시됩니다. 이는 대부분의 시간이 소요되는 일반적인 작업을 최적화하여 전체 성능을 높이는 것을 의미합니다.

 

 

MIPS(Millions of Instructions Per Second) 성능 측정 지표

 

MIPS는 컴퓨터 시스템의 성능 측정 지표 중 하나로, 1초 동안 처리할 수 있는 명령어 수를 백만으로 나타냅니다. 그러나 이 지표는 컴퓨터 간 명령어 집합 아키텍처(ISA)의 차이와 명령어 복잡도의 차이를 고려하지 않습니다. 이는 서로 다른 컴퓨터 간에 비교할 때 문제가 됩니다. 이 지표는 명령어 수를 실행 시간으로 나누어 계산됩니다. 그러나 이 방법은 명령어 복잡도와 같은 다른 요소를 고려하지 않습니다. 그러므로 MIPS는 최신 컴퓨터 시스템에서는 유용하지 않습니다. 대신, CPU 클럭 속도, 명령어 수, CPI(Cycles per Instruction) 등의 다른 지표를 사용하여 성능을 측정하는 것이 더 일반적입니다.

 

결론

최신 기술 개발로 인해 비용 대비 성능이 지속적으로 향상되고 있습니다. 이는 하드웨어 및 소프트웨어의 계층 구조와 같은 기초 기술의 발전으로 인해 가능해졌습니다. 명령어 집합 아키텍처는 하드웨어와 소프트웨어 간의 인터페이스 역할을 합니다. 실행 시간은 컴퓨터 시스템의 최고 성능 지표입니다. 그러나 전력 소비는 성능을 제한하는 요인 중 하나입니다. 이러한 이유로 병렬 처리 기술을 사용하여 성능을 개선하는 것이 중요합니다. 이러한 방법을 사용하면 전체 실행 시간을 줄이고 전력 소비를 최소화할 수 있을 것 입니다.

아마 다음 시간부터는 본격적으로 MIPS에 대해 알아볼 것 같습니다.