性能の役割（教科書第2章）「性能が優れている」とは？（1）航空機の性能を比較してみよう！航空機搭乗人員数航続距離 (マイル) 巡航速度 (マイル／時) 輸送能力 (人・マイル／時) ボーイング７７７３７５４,６３０６１０２２８,７５０ボーイング７４７４７０４,１５０６１０２８６,７００ BAC/Sud コンコルド１３２４,０００１,３５０１７８,２００ダグラス DC-８-５０１４６８,７２０５４４７９,４２４問題：性能が最も優れている航空機はどれでしょう？性能＝巡航速度の場合・・・・・コンコルド性能＝航続距離の場合・・・・・ダグラスDC-8-50 性能＝搭乗人員数の場合・・・ボーイング747 「性能」の定義によってどの航空機が最も優れているかは異なる！九州大学工学部電気情報工学科「性能が優れている」とは？（2）航空機の性能を比較してみよう！航空機搭乗人員数航続距離 (マイル) 巡航速度 (マイル／時) 輸送能力 (人・マイル／時) ボーイング７７７３７５４,６３０６１０２２８,７５０ボーイング７４７４７０４,１５０６１０２８６,７００ BAC/Sud コンコルド１３２４,０００１,３５０１７８,２００ダグラス DC-８-５０１４６８,７２０５４４７９,４２４問題：「性能が高い＝人を運ぶのに要する時間が短い」とする時，最も性能が優れている航空機はどれでしょう？ 1人の旅客を運ぶのに要する時間に着目した場合・・・・・コンコルド 450人の旅客を運ぶのに要する時間に着目した場合・・・ボーイング747 「性能が高いとは？」を定義する事が重要！九州大学工学部電気情報工学科コンピュータにおける性能の定義性能は評価者の関心によって異なる尺度で評価される．  応答時間（response time）: 作業開始から作業終了までの時間．（ユーザ向けの尺度）  スループット（throughput）: 一定時間内に終了した作業の総量．（計算機管理者向けの尺度）九州大学工学部電気情報工学科スループットと応答時間（１）問題：あるプログラムAを実行する．コンピュータに搭載されたプロセッサを2倍高速なものに取り替えた場合， A）スループットが増大する B）応答時間が短くなる（応答時間での「作業開始/終了＝プログラム実行開始/終了」と仮定） C）スループットが増大し、応答時間も短くなるの何れの効果を得ることができるか？ただし，プログラムAの実行以外の処理は全て無視する．また，プロセッサは同時に高々１個のプログラムしか実行できないと仮定する．プログラムA 10秒で実行完了スループットの増大プログラムA 10秒で2回実行可能 2倍高速なプロセッサに変更答え：C 応答時間の短縮プログラムA 5秒で実行完了九州大学工学部電気情報工学科スループットと応答時間（２）問題：ユーザAのプログラムと，ユーザBのプログラムを実行する．コンピュータの数を1台から2台に増やした場合， A）スループットが増大する（応答時間での「作業開始/終了＝プログラム実行開始/終了」と仮定） B）各ユーザに対する応答時間が短くなる C）スループットが増大し、各ユーザに対する応答時間も短なるの何れの効果を得ることができるか？ただし，これらプログラムの実行以外の処理は全て無視する．また，各コンピュータそれぞれは同時に高々１個のプログラムしか実行できず， 1つのプログラムを2台のコンピュータ上で分散処理することは無いと仮定する．答え：A プログラムA 10秒で実行完了プログラムA 10秒で実行完了その後・・・プログラムB 10秒で実行完了合計で20秒同時に・・・プログラムB 10秒で実行完了合計で10秒九州大学工学部電気情報工学科性能と実行時間絶対性能：この授業では実行時間（つまり，応答時間）の最小化に焦点をしぼる． 1 性能  実行時間以下の性質が成り立つ．（自明）性能X  性能Y  実行時間X  実行時間Y 相対性能：コンピュータ Y はコンピュータ X の何倍性能が高いか．性能Y 実行時間X n  性能X 実行時間Y 九州大学工学部電気情報工学科「コンピュータAは1.5倍速い」とは？問題：あるプログラムの実行に要する時間が， •コンピュータAの場合では10秒 •コンピュータBの場合では15秒とする．この時，コンピュータAはコンピュータBよりもどれだけ速いか？性能Y 実行時間X n  性能X 実行時間Y YはXよりもn倍速い！性能A 実行時間B 15    1.5 よって，AはBより1.5倍速い性能B 実行時間A 10 • 同じ仕事をこなす場合，実行時間の短いコンピュータの方が高速である（性能が高い） • 性能を向上するためには，実行時間を短縮する必要がある九州大学工学部電気情報工学科性能の測定（１）マルチプログラム環境 Webブラウザ（アプリケーション） MP3プレーヤ（アプリケーション）オペレーティングシステム九州大学工学部電気情報工学科性能の測定（２）マルチプログラミング環境：複数のアプリケーションを時分割で実行することで，見かけ上，同時実行している． Webブラウザ MP3プレーヤ Webブラウザ MP3プレーヤ Webブラウザ CPU時間，CPU実行時間ＯＳＯＳＯＳユーザCPU時間ＯＳシステムCPU時間応答時間，経過時間九州大学工学部電気情報工学科性能の測定（３） time コマンドによる CPU 時間の測定（UNIX）: 実経過時間，ユーザCPU時間，システムCPU時間を報告． time コマンドライン九州大学工学部電気情報工学科測定基準どうしの関係（１）コンピュータのハードウェアはクロックに同期して動く．クロック周波数（単位時間あたりのクロックサイクル数）クロックサイクル時間プログラムの実行開始から終了までに何クロック・サイクル要したか？プログラムの実行時間  クロックサイクル数  1クロック・サイクルは何秒か？ クロックサイクル時間クロックサイクル数クロック周波数＊）クロック周波数＝クロックサイクル時間の逆数九州大学工学部電気情報工学科測定基準どうしの関係（２）プログラム実行に要した CPI (Clock cycle Per Instruction) クロックサイクル数 →1命令実行あたりの平均クロックサイクル数＝実行命令数プログラムの実行開始から終了までに何クロック・サイクル要したか？プログラムの実行時間  クロックサイクル数 1クロック・サイクルは何秒か？ クロックサイクル時間実行命令数 CPI 何個の命令が実行されたか？命令1個の実行に平均で何クロックサイクル必要か？九州大学工学部電気情報工学科測定基準どうしの関係（３）各測定基準の計測：     実行時間は実測すればよい．クロックサイクル時間はマシンの性能諸元を参照すればよい．実行命令数は各種ツール，シミュレータ，専用カウンタにより得られる． CPIは厄介．  プロセッサやメモリシステムの構造に依存．  アプリケーションに依存．  アプリケーション中で実行されるクラス別の命令の出現頻度に依存．  同じ命令セットアーキテクチャでも実装が異なれば変わる．  CPIは詳細なシミュレーション，またはハードウェアカウンタとシミュレーションの併用で得る．九州大学工学部電気情報工学科例：2つのコンピュータの性能比較（同一命令セット，同一プログラムの実行を仮定）どちらのコンピュータが，どのくらい速いか？ • クロックサイクル時間＝1ns • CPI＝2.0 コンピュータA • クロックサイクル時間＝2ns • CPI＝1.2 コンピュータB • 実行命令数をIとする（命令セットは同じなのでAとBでは実行命令数が同じ） • コンピュータAに関して ☆クロックサイクル数＝実行命令数×CPI＝I×2.0 ☆実行時間＝クロックサイクル数×クロックサイクル時間＝I×2.0×1ns＝I×2ns • コンピュータBに関して ☆クロックサイクル数＝実行命令数×CPI＝I×1.2 ☆実行時間＝クロックサイクル数×クロックサイクル時間＝I×1.2×2ns＝I×2.4ns • 性能の差 ☆速さの違い＝性能B/性能A＝実行時間A/実行時間B＝2.4/2.0＝1.2 ☆よって，コンピュータAの方がBよりも1.2倍速い！九州大学工学部電気情報工学科性能を向上するには？プログラムの実行時間  クロックサイクル数 クロックサイクル時間実行命令数 CPI  実行命令数，CPI，クロックサイクル時間を小さくすれば良い！  これらの間にはトレードオフ関係がある！  実行命令数の削減（ ↘ ）・・・CPIが大きくなる（ ↗ ）  CPIの削減（ ↘ ）・・・実行命令数が増える（ ↗ ）  実行命令数とCPIの削減（ ↘ ）・・・クロックサイクル時間が大きくなる（ ↗ ）  実行時間を決定するこれら3つの要因を全て考慮にいれて性能を比較する必要がある！九州大学工学部電気情報工学科例：クロックサイクル時間を1/2にするクロック周波数を2倍（クロックサイクル時間を1/2）にしても，実行時間が必ずしも半分になる訳では無い！クロック周波数＝400MHz プログラムXの実行時間＝10秒クロック周波数＝800MHz プログラムXの実行時間＝？秒クロック周波数を2倍に改善！ただし・・・コンピュータA クロック周波数向上技術の適用によりコンピュータB クロックサイクル数が1.2倍になったとする Aでのクロックサイクル数＝10秒×400×106=4×109 Bでのクロックサイクル数＝1.2×4×109＝4.8×109 Bでの実行時間＝（4.8×109サイクル）/（800×106）＝0.6×10＝6秒＊）実行時間＝クロックサイクル数/クロック周波数九州大学工学部電気情報工学科例：実行命令数を削減する必ずしも，「実行命令数が少ない方が実行時間が短い」わけでは無い！命令各命令のCPI プログラムX プログラムY Ａ１クロックサイクルＢ２クロックサイクル C ３クロックサイクル Aを２回実行 Bを１回実行 Cを２回実行 Aを４回実行 Bを１回実行 Cを１回実行プログラムXの実行に関してクロックサイクル時間＝1nsと仮定 • 実行命令数＝5命令 • クロックサイクル数＝（1×2）＋（2×1）＋（3×2）＝10 • 実行時間＝10クロックサイクル×1ns＝10ns プログラムYの実行に関して • 実行命令数＝6命令 • クロックサイクル数＝（1×4）＋（2×1）×（3×1）＝9 九州大学工学部電気情報工学科 • 実行時間＝9クロックサイクル×1ns＝9ns Amdahl の法則（１）（絶対）性能：この授業では実行時間の最小化に焦点をしぼる．改善後実行時間 改善部分実行時間  非改善部分実行時間改善度改善度 n: 非改善部分改善部分 ×1/n 九州大学工学部電気情報工学科 Amdahl の法則（２）スピードアップ率改善部分=50% 改善部分=25% 改善部分=10% 改善度九州大学工学部電気情報工学科性能の比較とまとめ方（１）コンピュータＡでの実行時間（秒）コンピュータＢでの実行時間（秒）プログラム1 1 10 プログラム2 1,000 100  プログラム１に関しては、ＡはＢよりも10倍速い。  プログラム２に関しては、ＢはＡよりも10倍速い。どちらのコンピュータの方が性能が良い？九州大学工学部電気情報工学科性能の比較とまとめ方（２）  性能評価を目的としたプログラムをベンチマークと呼ぶ  通常，複数個のベンチマークを用いて性能を評価する  得られた結果から総合性能を求める必要あり総合性能総合性能ベンチマークベンチマークベンチマークベンチマークベンチマークベンチマークベンチマークベンチマーク結果結果結果結果結果結果結果結果九州大学工学部電気情報工学科総合性能値の求め方  合計実行時間：各プログラムの実行時間の合計  平均実行時間：プログラムあたりの平均実行時間  算術平均  加重算術平均  正規化実行時間：基準コンピュータに対する実行時間の比  基準となるコンピュータでの実行時間を1.0とみなす  正規化した結果の平均をとる際は幾何平均を使用九州大学工学部電気情報工学科合計実行時間と平均実行時間コンピュータＡでコンピュータＢでの実行時間（秒）の実行時間（秒）プログラム1 1 10 プログラム2 500 100 合計実行時間 501 110 平均実行時間算術平均 250.5 加重算術平均 55 5.99 10.9 加重算術平均では，プログラム1と2の実行が，それぞれ，全負荷の99%と1%を占めると仮定算術平均＝１ n 時間 i  n i 1 n 加重算術平均＝  重みi ×時間i 全プログラムの重みを1/nに固定 i 1 •nはプログラム数 •時間iはプログラムiの実行時間 •重みiはプログラムiの実行頻度九州大学工学部電気情報工学科実行時間の正規化均幾何平均平算 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 均幾何平ムラグロプログラム 2 コンピュータA コンピュータB 1 正規化実行時間 Bを基準に正規化プ正規化した実行時間の算術平均をとった場合，基準の選び方によって優劣が変わる！ →幾何平均を用いる！ムグロプ i 1 •n：プログラム数 • 実行時間比i：基準に対して正規化したプログラムiの実行時間ラムグロプ幾何平均＝ n  実行時間比i ラ n 均 100 術 1,000 平プログラム2 術 10 2 1 1 プログラム1 コンピュータA コンピュータB 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 算コンピュータＡでコンピュータＢでの実行時間（秒）の実行時間（秒）正規化実行時間 Aを基準に正規化九州大学工学部電気情報工学科