개요

MIPS

means

• Unit : Millions instruction per second
• Company name
• Name of CPU family (like Intel, AMD)

Level of Code, Language

application software
System software
Hardware

• Code
  • assembly language : Textual representation of machine instructions. (It is used because humans can't recognize the machine language)
  • Hardware representation : bits ( instructions , data )
• compiler
  • high-level lang ---> assembly lang
  • Different CPU has the different compiler.
• assembler
  • assembly lang ---> machine lang
  • Different CPU has own machine instructions, assembler

Class

• Personal computers
• Server computers
• Super computers : Type of server. very small portion.
• Embedded computers

PostPC Era

• The number of devices
  • 2007 : cell phone, PC, smart phone, tablet
  • 2018 : smart phone, cell phone, PC, tablet
• PMD : Persnal Mobile Divice
• Cloud computing (WSC, SaaS)

Sizes

• Decimal Term : KB(10^3), MB(10^6), GB(10^9), TB, PE, ZE, ..., QB(10^30)
• Binary term : KiB(2^10), MiB(2^20), GiB(2^30), TiB, PiB, ZiB, ..., QiB(2^100)
  ** KiB = kibibyte = ki - binary - byte

구성요소

CPU

• Datapath (다른 책의 표현으로 ALU) : 데이터에 대해 작업
• Control
• Cache memory : 데이터에 즉시 접근가능한 작고 빠른 SRAM

Memory

• Volatile main memory (primary memory) : 비싸고 빠름 e.g., DRAM
• Non-volatile secondary memory : 싸고 느림
  • magnetic disk
  • flash memory
  • optical disk

Network

LAN(Ethernet), WAN(Internet), wireless network(WiFi, Bluetooth)

Semiconductor

die는 chip과 유사한 말. (웨이퍼에 난 패턴을 따라 조각낸 것)
300mm wafer = 12inch wafer

• Tech : Vaccum tube - Transistor - IC - VLSI - ULSI
• Manufacturing ICs
  1. Silicon ingot --- (slicer) ---> Blank wafers
  2. Blank wafers --- (여러 공정) ---> Patterned wafers
  3. Patterned wafers --- (테스트) ---> Tested wafers
  4. Tested wafers --- (dicer) ---> Tested dies
  5. Tested dies --- (패키지에 다이 붙이기/테스트) ---> Tested packaged dies
• IC Cost
  • Cost per die = $\frac{Cost\ per\ wafer}{Dies\ per\ wafer \times Yield}$
  • Dies per wafer ≒ $\frac{Wafer\ area}{Die\ area}$
  • Yield = $1 / (1+(Defects\ per\ area\times\frac{Die\ area}{2}))^2$
    → Yield(수율)는 한 웨이퍼에서 몇퍼센트의 Die가 테스트를 통과했는지 의미 (전부 정상이면 1)

ISA

ISA : Instruction set architecture

instruction set determines Computer Architecture

• 만약 Intel instruction set을 갖고있다면 Intel CPU만 쓸 수 있다.
• (다른 제품군에서는 안돌아가니까)

ISA는 하드웨어-소프트웨어의 인터페이스이다.

Performance

성능은 실행 시간(Execution Time)으로 측정한다. 실행 시간이 작을 수록 성능이 좋다고 평가한다.
기술적으로(엄밀히) 말하는 '시간'은 CPU time으로, I/O 등은 제외한 순수한 작업 시간이다.

Clock

클럭은 컴퓨터에서 시간의 표현 방법이다.

• Clock Cycle : 반복되는 Clock의 단위 (5사이클 : 클럭의 5번 반복)
• Cycle Time(Clock period) : 한 사이클 도는 시간
• Clock rate(Clock frequency) : 초당 클럭 사이클 횟수

Cycle Time과 Clock rate는 아래와 같은 관계이다.

• $Cycle\ Time = \frac{1}{Clock\ rate}$
• 예시 : Cycle Time=250ps이면 Clock rate = $\frac{1}{250\times{10^{12}}}$ = $\frac{1000}{250\times{10}^{9}}$ = 4GHz

음의 지수승 단위는 다음과 같다.

• 1 s = $10^{3}$ ms = $10^6$ ㎲ = $10^9$ ns = $10^{12}$ ps

CPU Time

= ${Cycles} \times {Cycle\ Time}$ = (싸이클 몇 번 돌았냐) x (한 싸이클 몇 초 걸리냐)
= ${Cycles} / {Clock\ rate}$ = (싸이클 몇 번 돌았냐) / (초당 사이클 몇 번 도냐)

이 때, ${Cycles = {Instruction\ Count}\times{(CPI:Cycles\ per\ instruction)}}$ 이므로
= $({Instruction\ Count}\times{CPI})\times{Cycle\ Time}$
= $({Instruction\ Count}\times{CPI})/{Clock\ rate}$

정리하면 아래와 같다. 성능을 결정하는 세 개의 요인이 있다.
$CPU\ Time = \frac{Seconds}{Program} = \frac{Instructions}{Program}\times\frac{Cycles}{Instructions}\times\frac{Seconds}{Cycles}$

그 외 요소

• Power = $Capacity\ load \times Voltage^2 \times Frequency$
• Uniprocessor (Multiprocessors)
  • require explicitly paralell programming : 한 번에 여러 instruction실행

Pitfalls

Amdahl's Law

프로그램의 일부를 N만큼 개선했다고 해서 전체 프로그램이 N만큼 개선되는 것은 아니다.

$T_{improved} = \frac{T_{affected}}{improvement\ factor}+T_{unaffected}$

예를 들어 전체 성능의 20%를 좌우할 수 있는 코드 실행시간을 10초에서 5초로 단축시켰다고 하자.

• 이 때 전체적으로 얼마나 시간이 단축되는지 보면
  → (5초/10초)*(20%) + 80% = 10%+80% = 90%
• 따라서 특정 부분에서는 50% 단축되었지만, 전체로 보면 10%만 단축되었다.

그러므로 common case를 개선하는 것이 그 밖의 것보다 중요하다.

MIPS as a Performance Metric

MIPS는 '초당 백만 개의 인스트럭션 실행'이라는 단위이다.
이 단위는 각 인스트럭션이 얼마나 복잡한가를 고려하지 않았기에 다른 ISA를 비교하는 척도가 될 수 없다.

(예시)
아래 예시를 살펴보면 10초동안 A는 5개, B는 10개를 실행한다. 단순 MIPS로 비교하면 A가 월등한 성능이지만, 결과물과 소요시간은 같을 수 있다.

• A CPU의 한 개 인스트럭션은 2초가 걸리고 많은 일을 한다.
• B CPU의 한 개 인스트럭션은 1초가 걸리고 적은 일을 한다.

(MIPS의 실체 검증하기)
MIPS = $\frac{instrunction\ count\times{10^{-6}}}{Execution\ time}$
여기서 Execution Time = CPU Time = $\frac{instrunction\ count\times CPI}{Clock\ rate}$ 이므로

$MIPS = \frac{Clock\ rate}{CPI} \times 10^{-6}$

CPI는 CPU마다 다르다. 따라서 MIPS는 만능 척도가 아니다.
진정한 척도는 '실행시간'이다.

Fallacy

cpu load정도에 따라 파워 소모량이 꼭 비례하지는 않는다.
100% load일 때 500W를 소모한다고 해도
50% load일 때 250W가 아닌 400W일 수도 있다.