Bilgisayar başarımı (İngilizce: computer performance), bir bilgisayar sisteminin belirli bir işi ne kadar hızlı ve verimli gerçekleştirdiğinin ölçüsüdür; başka bir deyişle bir bilgisayar sisteminin birim zamanda yaptığı yararlı iş miktarıdır. Başarım; mikroişlemci mimarisine, saat sıklığına, bellek ve giriş/çıkış sistemine, derleyici ve algoritmaların verimliliğine ve çalıştırılan iş yüküne bağlı olarak değişir.
Bir bilgisayarın başarımı genellikle iki tamamlayıcı boyutla değerlendirilir: tek bir işin tamamlanma süresi (yürütme zamanı ya da yanıt süresi) ve birim zamanda tamamlanan iş miktarı (iş çıkarma, throughput). Bağlama göre bu ölçütlerden biri ötekinden daha önemli olabilir. Başarım yalnızca teknik bir kavram değildir; kullanıcının deneyimlediği yanıt hızı (algılanan başarım) da önemli bir boyuttur.
Başarım boyutları
Bilgisayar başarımı tek bir sayıyla değil, birbirini tamamlayan birçok ölçütle değerlendirilir. Başlıca boyutlar şunlardır:
Yanıt süresi ve gecikme
Tepki süresi (ya da tepki süresi), bir isteğin verilmesiyle sonucun alınması arasında geçen toplam süredir. Bununla ilişkili gecikme (latency), tek bir işlemin başlamasıyla tamamlanması arasındaki süredir; örneğin bir bellek erişiminin ya da bir ağ paketinin ulaşmasının aldığı süre. Etkileşimli sistemlerde düşük yanıt süresi, kullanıcının algıladığı başarımı doğrudan belirler; gerçek zamanlı sistemlerde ise yanıtın belirli bir süre sınırı içinde verilmesi başarının ön koşuludur.
İş çıkarma
İş çıkarma (throughput), birim zamanda tamamlanan iş ya da işlem sayısıdır. Sunucu ve toplu işlem sistemlerinde başlıca ölçüt iş çıkarmadır; ağ bağlamında bu kavram ağ kapasitesi olarak da adlandırılır. Gecikmeden farklı bir kavramdır: boru hattı ve çok çekirdeklilik gibi teknikler tek bir işin gecikmesini azaltmasa bile, aynı anda birden çok işi örtüştürerek toplam iş çıkarmayı artırabilir. Yüksek iş çıkarma her zaman düşük gecikme anlamına gelmez.
İşlem hızı
İşlemci hızı çoğunlukla saniyede yürütülen buyruk sayısıyla (saniyedeki milyon buyruk, MIPS) ya da bilimsel hesaplamada saniyedeki kayan nokta işlemi sayısıyla (FLOPS) ölçülür. Bu ölçütler kaba bir karşılaştırma sağlar; ancak farklı buyruk kümeleri arasında bir buyruğun yaptığı iş değiştiğinden, yalnız başına yanıltıcı olabilir. Bu yüzden gerçek başarım, kaba hız ölçütlerinden çok gerçek iş yükleriyle değerlendirilir.
Bant genişliği
Bant genişliği (bandwidth), birim zamanda aktarılabilen veri miktarıdır. Bellek bant genişliği, veri yolu bant genişliği ve ağ bant genişliği, birçok iş yükünde başarımı sınırlayan başlıca etkenlerdendir. İşlemci ne kadar hızlı olursa olsun, gereken veriyi yeterince hızlı alamıyorsa başarım bant genişliğiyle sınırlanır; bu duruma bant genişliği darboğazı denir.
Ölçeklenebilirlik
Ölçeklenebilirlik, sisteme kaynak (çekirdek, düğüm, bellek) eklendikçe başarımın ne ölçüde arttığıdır. İdeal durumda başarım kaynakla orantılı artar; gerçekte ise işin koşut çalıştırılamayan bölümü, eşgüdüm ve iletişim maliyetleri bu artışı sınırlar (bkz. Koşut başarımın sınırları).
Güç ve enerji verimliliği
Güç tüketimi modern sistemlerde başlıca tasarım kısıtlarından biridir. Başarım/güç (performance per watt) ölçütü, harcanan birim güç başına elde edilen başarımı verir; özellikle veri merkezleri ve pille çalışan mobil aygıtlarda belirleyicidir. Aşırı güç yoğunluğu, ısı nedeniyle başarım artışını sınırlayan güç duvarına yol açar ve bu, 2000'lerden sonra çok çekirdekli tasarımlara geçişin başlıca nedenlerindendir.
Çalışırlık (kullanılabilirlik)
Bir sistemin işler ve hizmet verebilir durumda olduğu zamanın oranı (İngilizce availability), özellikle sunucu sistemlerinde önemli bir başarım boyutudur; yüksek başarımlı bir sistem, çalışmadığı ya da ulaşılamadığı sürece yararsızdır. Bu boyut çoğu zaman hizmet kalitesi güvenceleriyle birlikte ele alınır.
Sıkıştırma oranı
Veri saklama ve iletiminde, sıkıştırma sonucu elde edilen sıkıştırma oranı da bir başarım ölçütü olarak kullanılır; yüksek sıkıştırma daha az bant genişliği ve depolama gerektirir, ancak sıkıştırma ve açma için ek işlem yükü getirir. Bu nedenle sıkıştırma, işlem gücü ile bant genişliği/depolama arasında bir ödünleşmedir.
Başarım denklemi
Bir programın işlemcideki yürütme zamanı, üç çarpanın çarpımı olarak ifade edilebilir:
- Yürütme zamanı = Buyruk sayısı × BBÇ × Saat çevrim süresi
Bu denklem, başarımı etkileyen üç düzeyi ayırır: buyruk sayısı (buyruk kümesi mimarisi ve derleyiciye), BBÇ (mikromimariye) ve saat çevrim süresi (saat sıklığı ve üretim teknolojisine) bağlıdır. Başarımı artırmak için bu üç çarpandan herhangi biri küçültülebilir; ancak çoğu zaman birini iyileştirmek bir diğerini olumsuz etkiler. Örneğin saat sıklığını yükseltmek güç tüketimini artırır, daha az buyrukla iş yapan karmaşık buyruklar ise BBÇ'yi yükseltebilir.
Başarımı belirleyen etkenler
Bilgisayar başarımı tek bir bileşene değil, sistemin tümüne bağlıdır:
- Donanım: işlemci mikromimarisi, önbellek ve bellek sistemi, çekirdek sayısı, saat sıklığı ve transistör sayısı.
- Bellek sistemi: önbellek hiyerarşisi ve sanal bellek, erişim gecikmesi ve bant genişliğiyle başarımı doğrudan etkiler.
- Yazılım: derleyici eniyilemeleri, algoritma seçimi, işletim sistemi ve iş yükünün özellikleri.
- Kullanıcı ve bağlam: kullanıcının deneyimlediği yanıt süresi ve başarımın hangi ölçüte göre değerlendirildiği.
Başarımı artırma yöntemleri
İşlemci başarımını artırmak için kullanılan başlıca mimari teknikler arasında boru hattı, çoklu buyruk başlatımı, sıra dışı yürütme, dallanma öngörüsü ve çok çekirdeklilik sayılabilir. Bellek erişim gecikmesini gizlemek için önbellek hiyerarşisi kullanılır. Yazılım düzeyinde ise derleyici eniyilemeleri ve daha verimli algoritmalar başarımı artırır.
Koşut başarımın sınırları
Bir programın koşut (paralel) çalıştırılarak hızlandırılması, işin ne kadarının koşut çalıştırılabildiğiyle sınırlıdır. Sabit bir iş için elde edilebilecek azami hızlanma Amdahl yasası ile tanımlanır. Buna göre, bir işin koşutlaştırılamayan (sıralı) kesri s ise, sonsuz sayıda işlemciyle bile elde edilebilecek hızlanma en çok 1/s olabilir; örneğin işin %10'u sıralıysa azami hızlanma 10 katla sınırlıdır. İş boyutu kaynakla birlikte büyüdüğünde elde edilebilecek hızlanma ise Gustafson yasası ile tanımlanır; bu yasa, büyük ölçekli sistemlerde daha iyimser bir tablo çizer. Bu iki yasa, çekirdek sayısını artırmanın neden her zaman orantılı bir hızlanma getirmediğini açıklar.
Başarım gereksinimleri
Başarım her zaman göreceli ve bağlama bağlı bir kavramdır; bu nedenle bir sistemin başarımı ölçülmeden önce, sistemin hangi koşullarda neyi sağlaması gerektiğini tanımlayan başarım gereksinimleri belirlenir. Bu gereksinimler genellikle ölçülebilir hedefler biçiminde ifade edilir; örneğin "isteklerin %95'i 200 milisaniyeden kısa sürede yanıtlanmalı" ya da "sistem saniyede en az 10.000 işlemi karşılamalı" gibi. Hangi başarım boyutunun (yanıt süresi, iş çıkarma, güç tüketimi vb.) öncelikli olduğu da bu aşamada kararlaştırılır.
Başarımın bu gereksinimlere göre tasarlanması, ölçülmesi ve iyileştirilmesi sürecine Başarım mühendisliği denir. Gereksinimler belirlendikten sonra sistem, gerçek iş yükünü temsil eden denektaşları ve ölçümlerle bu hedefleri karşılayıp karşılamadığı bakımından değerlendirilir; gereksinimleri karşılamayan bölümler (darboğazlar) saptanıp iyileştirilir. Böylece "başarım" mutlak bir hız değil, önceden tanımlanmış hedeflere ne ölçüde ulaşıldığının ölçüsü olarak ele alınır.
Başarım değerlendirmesi
Bilgisayar başarımı, denetimli ve yinelenebilir ölçümler için tasarlanmış denektaşı (benchmark) programlarıyla değerlendirilir; SPEC CPU bu amaçla yaygın kullanılan paketlerden biridir. Donanım üretmeden başarım tahmini yapmak için bilgisayar mimarisi benzetimlikleri kullanılır. Tek bir denektaşı sonucundan çok, farklı iş yüklerinden oluşan bir küme üzerinden geometrik ortalama gibi özet ölçütler yeğlenir.
Tarihsel gelişim
Bilgisayar başarımı, transistör boyutlarının küçülmesi ve mimari ilerlemeler sayesinde on yıllar boyunca üstel biçimde artmıştır; bu eğilim uzun süre Moore yasası ve Dennard ölçeklemesi ile özetlenmiştir. Transistörlerin küçülürken birim alandaki güç yoğunluğunu sabit tutabilmesi Dennard ölçeklemesi olarak bilinir ve 1974'te tanımlanmıştır. 2000'lerin ortasından sonra Dennard ölçeklemesinin sona ermesi, tek çekirdek hızının artışını yavaşlatmış ve çok çekirdekli tasarımları öne çıkarmıştır.
Transistör boyutundaki bu küçülme, art arda gelen yarı iletken üretim süreçleriyle gerçekleştirilir; ardışık 7 nm, 5 nm, 3 nm ve 2 nm süreçleri her kuşakta daha yüksek transistör yoğunluğu ve daha düşük anahtarlama enerjisi sunar. Transistör yapısı da bu süreçte düzlemsel MOSFET'ten üç boyutlu FinFET ve her yandan saran kapılı transistöre doğru evrilerek küçülmenin sürmesini sağlamıştır. Dennard ölçeklemesinin sona ermesinden bu yana ise başarım kazanımları tek bir çekirdeğin hızından çok çok çekirdeklilik, özelleşmiş hızlandırıcılar ve enerji verimliliği eniyilemelerine dayanmaktadır.
Ayrıca bakınız
Kaynakça
- ^ a b c d e f g h Patterson, David A.; Hennessy, John L. (2017). Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface (5 bas.). Morgan Kaufmann. ISBN 978-0-12-407726-3.
- ^ a b c d e f g h i j k l Hennessy, John L.; Patterson, David A. (2017). Computer Architecture: A Quantitative Approach (6 bas.). Morgan Kaufmann. ISBN 978-0-12-811905-1.
- ^ Amdahl, Gene M. (1967). "Validity of the single processor approach to achieving large scale computing capabilities". AFIPS Conference Proceedings. 30: 483-485. doi:10.1145/1465482.1465560.
- ^ Gustafson, John L. (1988). "Reevaluating Amdahl's Law". Communications of the ACM. 31 (5): 532-533. doi:10.1145/42411.42415.
- ^ Dennard, Robert H.; Gaensslen, Fritz H.; Yu, Hwa-Nien (1974). "Design of ion-implanted MOSFET's with very small physical dimensions". IEEE Journal of Solid-State Circuits. 9 (5): 256-268. doi:10.1109/JSSC.1974.1050511.