معیار کارایی کامپیوترها چیست؟

از آغاز دهه 1980 میلادی، کارایی کامپیوترها با بهبود و افزایش قدرت مدارات مجتمع که در پیاده سازی ریز پردازنده ها، تراشه های حافظه و سایر اجزای کامپیوتر استفاده می شدند، افزایش یافت. با گذشت زمان، مدارات مجتمع از نظر تراکم (یعنی میزان ترانزیستورها و سیم هایی که می توانند بر روی سطح ثابتی از تراشه ی سیلیکون قرار داده شوند)، سرعت (گیت های منطقی پایه و دستگاه های حافظه با چه سرعتی کار می کنند) و مساحت ( اندازه ی فیزیکی بزرگترین مدار مجتمعی که می تواند ساخته شود) بهبود یافته اند.

رشد شگرف کارآیی کامپیوتر در دو دهه اخیر از این حقیقت ناشی می شود که سرعت و چگالی تراشه ها به طور هندسی و نه خطی بهبود یافته اند؛ این بدان معناست که افزایش کارآیی از سالی به سال دیگر به طور نسبی کسر ثابتی از کارآیی سال پیش است و نه یک مقدار مطلق ثابت.

به طور متوسط تعداد ترانزیستورهایی که می توانند بر روی تراشه سیلیکونی جای گیرند، هر سال 50 درصد افزایش می یابند و در نتیجه بر سرعت ترانزیستورها نیز افزوده می شود طوری که تاخیر گیت های منطقی پایه (AND,OR و... )در هر سال 13 درصد کاهش می یابد. این نظریه که بیان می دارد کارآیی کامپیوتر به طور هندسی و نه به شکل خطی بهبود می یابد، اغلب تحت عنوان قانون مور شناخته می شود.

برای مثال میزان داده ای که می تواند بر روی تراشه حافظه پویا (DRAM یا Dynamic RAM ) ذخیره شود، از اواخر دهه 1970 میلادی در هر سه سال، چهار برابر شده است؛ یعنی نرخ رشد آن، سالانه 60 درصد می باشد

از اواخر دهه 1970 میلادی تا اواخر دهه 1980، کارآیی ریزپردازنده ها بیشتر به دلیل پیشرفت در فن آوری ساخت آن ها با نرخ 35 درصد در سال بهبود می یافت. از آن پس، نرخ پیشرفت به شکل چشم گیری افزایش یافت و به بالای 50 درصد در سال رسید؛ با این وجود، نرخ رشد در ساخت نیمه رسانا نسبتا ثابت مانده است. افزایش نرخ بهبود کارآیی به علت پیشرفت هایی در معماری و سازمان کامپیوتر بوده است. معماران کامپیوتر توانسته اند از افزایش چگالی مدارات مجتمع استفاده کنند و ویژگی ها و امکاناتی را به ریزپردازنده ها و سیستم های حافظه بیفزایند که کارآیی را بیشتر از نرخ بهبود سرعت ترانزیستورها، افزایش می دهد.

اندازه گیری کارآیی

بهترین سنجش از کارآیی کامپیوتر، زمان اجرای برنامه یا برنامه هایی است که کاربر می خواهد اجرا کند. اما به طور کلی قبل از تصمیم گیری برای خرید کامپیوتر یا هنگام تصمیم گیری های طراحی، آزمودن همگی برنامه هایی که در سیستمی مفروض به اجرا در می آیند ناممکن است. در عوض معماران کامپیوتر معیارهای متفاوتی را جهت توصیف و اندازه گیری کارآیی کامپیوتر مطرح می کنند.

MIPS

یک واحد اندازه گیری اولیه کارایی کامپیوترها، نرخ اجرای دستورالعمل های ماشین بود. این نرخ از تقسیم تعداد دستورالعمل های اجرا شده در برنامه بر زمان لازم برای اجرای برنامه، محاسبه می گردد که معمولا با میلیون دستور العمل در ثانیه یا همان MIPS بیان می شود. امروزه از MIPS به عنوان سنجش کارایی استفاده نمی شود، زیرا این واقعیت را در نظر نمی گیرد که اغلب سیستم های مختلف به تعداد دستورالعمل های متفاوتی برای پیاده سازی برنامه ای معین نیاز دارند. نرخ MIPS کامپیوترها هیچ اطلاعاتی درباره تعداد دستورالعمل های مورد نیاز جهت انجام یک وظیفه به ما نمی دهد که این امر سبب می شود چنین معیاری برای مقایسه کارایی سیستم های مختلف سودمند نباشد.

CPI/IPC

یکی دیگر از معیارهای مورد استفاده برای نمایش میزان کارایی کامپیوتر، تعداد سیکل ساعت مورد نیاز برای اجرای هر دستور العمل است که با سیکل بر دستور العمل یا CPI شناخته می شود. CPI برنامه در هر سیستم معین از تقسیم تعداد سیکل ساعت مورد نیاز جهت اجرای برنامه به تعداد دستورالعمل های اجرا شده در برنامه مورد نظر محاسبه می شود. اغلب برای سیستم هایی که می توانند بیش از یک دستور العمل را در هر سیکل اجرا کنند، از تعداد دستورالعمل های اجرا شده در سیکل یا IPC استفاده می شود. IPC از تقسیم تعداد دستور العمل های اجرا شده در برنامه به سیکل ساعت مورد نیاز برای اجرای برنامه محاسبه می شود و معکوس CPI می باشد. این دو معیار اطلاعات یکسانی را به دست می دهند و به طور کلی هر کدام که مقدارش بزرگتر از عدد 1 باشد، انتخاب و استفاده می شود. هنگامی که از IPC و CPI برای مقایسه سیستم ها استفاده می کنیم، باید بدانیم که مقادیر بالای IPC نشان می دهند که آن برنامه نسبت به برنامه ای با مقدار IPC کوچکتر، به سیکل های کمتری جهت اجرا نیاز دارد. در صورتی که مقادیر بالای CPI در مقایسه با مقادیر کوچکتر آن نشان می دهند که به سیکل های بیشتری نیاز هست. بنابراین IPC بزرگ نشان دهنده ی کارایی خوب و CPI بزرگ نشان کارایی ضعیف سیستم است.

CPI و IPC به ندرت برای مقایسه سیستم های کامپیوتری واقعی استفاده می شوند. با این حال، معیار رایجی در پژوهش های معماری کامپیوتر هستند، زیرا اکثر پژوهش های معماری کامپیوتر توسط شبیه سازی انجام می شوند و از برنامه هایی استفاده می شود که معماری خاصی را شبیه سازی می کنند تا تعداد سیکل های مصرفی جهت اجرای برنامه ی مفروضی را بر روی آن معماری تخمین بزنند.