أداء الحاسوب

في مجال الحوسبة ، يُعرَّف أداء الحاسوب بأنه مقدار العمل المفيد الذي يُنجزه نظام الحاسوب . وبعيدًا عن السياقات المحددة، يُقاس أداء الحاسوب بدقة وكفاءة وسرعة تنفيذ تعليمات برامج الحاسوب . وعندما يتعلق الأمر بأداء الحاسوب العالي، قد يكون هناك عامل واحد أو أكثر من العوامل التالية:

• وقت استجابة قصير لإنجاز عمل معين.
• إنتاجية عالية (معدل معالجة مهام العمل).
• انخفاض استخدام موارد الحوسبة .
  • ضغط البيانات وفك ضغطها بسرعة (أو بكثافة عالية) .
• توافر عالٍ لنظام الحوسبة أو التطبيق.
• عرض نطاق ترددي عالٍ .
• وقت قصير لنقل البيانات .

يمكن تقييم أداء أي نظام حاسوبي بمصطلحات تقنية قابلة للقياس، باستخدام واحد أو أكثر من المقاييس المذكورة أعلاه. وبهذه الطريقة يمكن تحديد الأداء

• بالمقارنة مع الأنظمة الأخرى أو مع النظام نفسه قبل/بعد التغييرات
• بالمعنى المطلق، على سبيل المثال للوفاء بالتزام تعاقدي

بينما يتعلق التعريف أعلاه بنهج علمي وتقني، فإن التعريف التالي الذي قدمه أرنولد ألين سيكون مفيدًا للجمهور غير المتخصص:

إن كلمة الأداء في أداء الكمبيوتر تعني نفس الشيء الذي تعنيه كلمة الأداء في سياقات أخرى، أي أنها تعني "ما مدى جودة أداء الكمبيوتر للعمل الذي من المفترض أن يقوم به؟" ^{[ 1 ]}

يشمل هندسة الأداء ضمن هندسة النظم مجموعة الأدوار والمهارات والأنشطة والممارسات والأدوات والمخرجات التي يتم تطبيقها في كل مرحلة من مراحل دورة حياة تطوير النظم والتي تضمن تصميم الحل وتنفيذه ودعمه تشغيليًا لتلبية متطلبات الأداء المحددة للحل.

تتعامل هندسة الأداء باستمرار مع المفاضلات بين أنواع الأداء المختلفة. أحيانًا، قد يجد مصمم وحدة المعالجة المركزية طريقة لتحسين الأداء العام لوحدة المعالجة المركزية من خلال تحسين أحد جوانب الأداء، الموضحة أدناه، دون التضحية بأداء وحدة المعالجة المركزية في جوانب أخرى. على سبيل المثال، استخدام ترانزستورات أفضل وأسرع في تصنيع وحدة المعالجة المركزية .

ومع ذلك، في بعض الأحيان يؤدي دفع نوع واحد من الأداء إلى أقصى حد إلى وحدة معالجة مركزية ذات أداء إجمالي أسوأ، لأنه تم التضحية بجوانب مهمة أخرى للحصول على رقم واحد مثير للإعجاب، على سبيل المثال، معدل ساعة الشريحة (انظر أسطورة الميغاهرتز ).

تشمل مقاييس أداء الحاسوب (الأمور التي يجب قياسها) التوافر ، ووقت الاستجابة ، وسعة القناة ، وزمن الوصول ، ووقت الإنجاز ، ووقت الخدمة ، وعرض النطاق الترددي ، والإنتاجية ، والكفاءة النسبية ، وقابلية التوسع ، والأداء لكل واط ، ونسبة الضغط ، وطول مسار التعليمات ، والتسارع . تتوفر معايير أداء وحدة المعالجة المركزية . ^{[ 2 ]}

نظراً لوجود العديد من البرامج لاختبار وحدة المعالجة المركزية من جميع جوانب الأداء، فقد تم تطوير معايير الأداء .

أشهر المعايير هي معايير SPECint و SPECfp التي طورتها شركة تقييم الأداء القياسي ومعايير علامة الاعتماد التي طورتها مجموعة معايير المعالجات الدقيقة المدمجة EEMBC .

في هندسة البرمجيات، يُجرى اختبار الأداء عمومًا لتحديد كيفية أداء النظام من حيث الاستجابة والاستقرار في ظل عبء عمل معين. كما يمكن استخدامه أيضًا لدراسة وقياس والتحقق من صحة سمات الجودة الأخرى للنظام، مثل قابلية التوسع والموثوقية واستخدام الموارد.

اختبار الأداء هو جزء من هندسة الأداء، وهي ممارسة ناشئة في علوم الحاسوب تسعى إلى دمج الأداء في تنفيذ وتصميم وهيكلة النظام.

وحدة المعالجة المركزية (CPU)، والتي تُسمى أيضًا المعالج المركزي أو المعالج الرئيسي أو ببساطة المعالج، هي المعالج الأساسي في أي جهاز كمبيوتر. تقوم دوائرها الإلكترونية بتنفيذ تعليمات برنامج الكمبيوتر، مثل العمليات الحسابية والمنطقية والتحكمية وعمليات الإدخال والإخراج (I/O). ^{[ 9 ]}

يعتمد أداء المعالج أو سرعته، من بين أمور أخرى، على تردد الساعة (الذي يُقاس عادةً بالهرتز) وعدد التعليمات في الدورة الواحدة (IPC)، واللذان يحددان معًا عدد التعليمات في الثانية (IPS) التي يمكن لوحدة المعالجة المركزية تنفيذها. ^{[ 10 ]} تمثل العديد من قيم IPS المُبلغ عنها سرعات التنفيذ "القصوى" لتسلسلات تعليمات اصطناعية ذات تفرعات قليلة، بينما تتكون أحمال العمل الحقيقية من مزيج من التعليمات والتطبيقات، بعضها يستغرق وقتًا أطول من غيره. كما يؤثر أداء التسلسل الهرمي للذاكرة بشكل كبير على أداء المعالج، وهو عامل نادرًا ما يُؤخذ في الاعتبار عند حساب IPS. ونظرًا لهذه المشكلات، طُوّرت العديد من الاختبارات المعيارية، والتي تُسمى غالبًا "معايير الأداء"، مثل SPECint، لمحاولة قياس الأداء الفعلي في التطبيقات شائعة الاستخدام.

يتحسن أداء الحاسوب باستخدام المعالجات متعددة النوى، التي تربط معالجين أو أكثر (تُسمى في هذه الحالة نوى) على دارة متكاملة واحدة. من الناحية المثالية، يجب أن يكون المعالج ثنائي النواة أقوى بمرتين تقريبًا من المعالج أحادي النواة. عمليًا، تكون مكاسب الأداء أقل بكثير، حوالي 50%، بسبب قصور خوارزميات البرمجيات وتنفيذها. ^{[ 11 ]} زيادة عدد النوى في المعالج (مثل ثنائي النواة، رباعي النواة، إلخ) تزيد من قدرة المعالج على معالجة الأحمال. هذا يعني أن المعالج يستطيع الآن معالجة العديد من الأحداث غير المتزامنة والمقاطعات وما إلى ذلك، والتي قد تؤثر سلبًا على وحدة المعالجة المركزية عند زيادة الحمل. يمكن تشبيه هذه النوى بأدوار مختلفة في مصنع معالجة، حيث يتولى كل دور مهمة محددة. أحيانًا، تعالج هذه النوى نفس مهام النوى المجاورة إذا لم تكن نواة واحدة كافية لمعالجة المعلومات. تُحسّن وحدات المعالجة المركزية متعددة النوى قدرة الحاسوب على أداء مهام متعددة في وقت واحد من خلال توفير قوة حسابية إضافية. مع ذلك، لا تتناسب زيادة السرعة طرديًا مع عدد النوى المضافة. ويرجع ذلك إلى أن النوى تحتاج إلى التفاعل عبر قنوات محددة، ويستهلك هذا الاتصال بين النوى جزءًا من قوة الحوسبة المتاحة. ^{[ 12 ]}

نظراً للقدرات الخاصة لوحدات المعالجة المركزية الحديثة، مثل تعدد الخيوط المتزامنة ووحدة المعالجة غير الأساسية (uncore) - والتي تعني استخداماً مشتركاً لموارد وحدة المعالجة المركزية الفعلية لتحسين الاستخدام - فقد أصبح رصد مستويات الأداء واستخدام الأجهزة مهمة أكثر تعقيداً تدريجياً. ^{[ 13 ]} واستجابةً لذلك، تُطبّق بعض وحدات المعالجة المركزية منطقاً إضافياً للأجهزة يتتبع الاستخدام الفعلي لأجزاء مختلفة من وحدة المعالجة المركزية ويوفر عدادات متنوعة يمكن للبرامج الوصول إليها؛ ومن الأمثلة على ذلك تقنية مراقبة عدادات الأداء من إنتل. ^{[ 14 ]}

تحسين الأداء هو عملية تطوير أداء النظام . عادةً ما يكون هذا تطبيقًا حاسوبيًا، ولكن يمكن تطبيق الأساليب نفسها على الأسواق الاقتصادية، والبيروقراطيات، أو غيرها من الأنظمة المعقدة. يُطلق على الدافع وراء هذا النشاط اسم مشكلة الأداء، والتي قد تكون حقيقية أو متوقعة. تستجيب معظم الأنظمة لزيادة الحمل بانخفاض طفيف في الأداء. تُسمى قدرة النظام على استيعاب حمل أكبر بقابلية التوسع ، وتعديل النظام للتعامل مع حمل أكبر يُعد مرادفًا لتحسين الأداء.

يتم ضبط النظام بشكل منهجي باتباع الخطوات التالية:

1. قم بتقييم المشكلة وتحديد القيم العددية التي تصنف السلوك المقبول.
2. قم بقياس أداء النظام قبل إجراء أي تعديلات.
3. حدد الجزء من النظام الذي يُعدّ بالغ الأهمية لتحسين الأداء. وهذا ما يُسمى عنق الزجاجة .
4. قم بتعديل ذلك الجزء من النظام لإزالة نقطة الاختناق.
5. قم بقياس أداء النظام بعد التعديل.
6. إذا أدى التعديل إلى تحسين الأداء، فاعتمده. أما إذا أدى إلى تدهوره، فأعده إلى وضعه السابق.

يشير الأداء المُدرَك، في هندسة الحاسوب، إلى مدى سرعة أداء ميزة برمجية لمهمتها. وينطبق هذا المفهوم بشكل أساسي على جوانب قبول المستخدم .

لا يُسرّع عرض شاشة بدء التشغيل (انظر شاشة البداية) أو مربع حوار تقدم الملف من وقت بدء تشغيل التطبيق أو تنزيل الملف. مع ذلك، يُلبي هذا بعض احتياجات المستخدم: فهو يبدو أسرع للمستخدم، كما يُوفر إشارة مرئية تُعلمه بأن النظام يُعالج طلبه.

في معظم الحالات، يؤدي تحسين الأداء الحقيقي إلى تحسين الأداء المتصور، ولكن عندما يتعذر تحسين الأداء الحقيقي بسبب القيود البدنية، يمكن استخدام تقنيات لتحسين الأداء المتصور.

إجمالي الوقت ( t ) اللازم لتنفيذ برنامج قياس أداء معين هو

${\displaystyle t={\tfrac {NC}{f}}}$أو ما يعادل ذلك

${\displaystyle P={\tfrac {If}{N}}}$^{[ 15 ]}

أين

• ${\textstyle P={\frac {1}{t}}}$"الأداء" من حيث وقت التنفيذ
• ${\textstyle N}$يمثل N عدد التعليمات المنفذة فعليًا ( طول مسار التعليمات ). تؤثر كثافة التعليمات البرمجية لمجموعة التعليمات بشكل كبير على N. يمكن تحديد قيمة N بدقة باستخدام محاكي مجموعة التعليمات (إن وُجد) أو عن طريق التقدير، والذي يعتمد جزئيًا على التوزيع الترددي المُقدَّر أو الفعلي لمتغيرات الإدخال، ومن خلال فحص كود الآلة المُولَّد من مُصرِّف لغة برمجة عالية المستوى . لا يمكن تحديد N من عدد أسطر كود المصدر للغة البرمجة عالية المستوى. لا تتأثر N بالعمليات الأخرى التي تعمل على نفس المعالج. النقطة المهمة هنا هي أن الأجهزة عادةً لا تحتفظ بقيمة N للبرامج المنفذة (أو على الأقل لا تُتيحها بسهولة). لذلك، لا يمكن تحديد القيمة بدقة إلا من خلال محاكاة مجموعة التعليمات، وهو أمر نادرًا ما يُمارس.
• ${\textstyle f}$تردد الساعة هو عدد الدورات في الثانية.
• ${\textstyle C={\frac {1}{I}}}$يمثل متوسط ​​عدد الدورات لكل تعليمة (CPI) لهذا المعيار.
• ${\textstyle I={\frac {1}{C}}}$يمثل متوسط ​​عدد التعليمات لكل دورة (IPC) لهذا المعيار.

حتى على جهاز واحد، يمكن لمترجم مختلف أو نفس المترجم مع مفاتيح تحسين مختلفة للمترجم أن يغير N و CPI - يتم تنفيذ المعيار بشكل أسرع إذا كان بإمكان المترجم الجديد تحسين N أو C دون أن يجعل الآخر أسوأ، ولكن غالبًا ما يكون هناك مقايضة بينهما - هل من الأفضل، على سبيل المثال، استخدام عدد قليل من التعليمات المعقدة التي تستغرق وقتًا طويلاً للتنفيذ، أو استخدام تعليمات يتم تنفيذها بسرعة كبيرة، على الرغم من أنها تتطلب المزيد منها لتنفيذ المعيار؟

غالبًا ما يُطلب من مصمم وحدة المعالجة المركزية تنفيذ مجموعة تعليمات محددة ، وبالتالي لا يمكنه تغيير N. أحيانًا يركز المصمم على تحسين الأداء من خلال إدخال تحسينات كبيرة على f (باستخدام تقنيات مثل خطوط الأنابيب الأعمق وذاكرة التخزين المؤقت الأسرع)، مع الحرص (على الأرجح) على عدم التضحية بالكثير من C، مما يؤدي إلى تصميم وحدة معالجة مركزية فائقة السرعة . وأحيانًا أخرى، يركز المصمم على تحسين الأداء من خلال إدخال تحسينات كبيرة على CPI (باستخدام تقنيات مثل التنفيذ خارج الترتيب ، ووحدات المعالجة المركزية فائقة التوازي ، وذاكرة التخزين المؤقت الأكبر، وذاكرة التخزين المؤقت ذات معدلات الوصول المحسّنة، وتحسين التنبؤ بالتفرع ، والتنفيذ التخميني ، وما إلى ذلك)، مع الحرص (على الأرجح) على عدم التضحية بالكثير من تردد الساعة، مما يؤدي إلى تصميم وحدة معالجة مركزية ذكية. ^{[ 16 ]} بالنسبة لمجموعة تعليمات معينة (وبالتالي N ثابتة) وعملية أشباه موصلات، يتطلب أقصى أداء أحادي الخيط (1/t) توازنًا بين التقنيات الذكية والتقنيات السريعة. ^{[ 15 ]}

• الكفاءة الخوارزمية
• الحوسبة (التعلم الآلي)
• أداء الكمبيوتر بفارق كبير
• أداء الشبكة
• بنية معالج موجهة نحو زمن الاستجابة
• التحسين (علوم الحاسوب)
• معدل تحديث ذاكرة الوصول العشوائي
• مجموعة تعليمات كاملة
• تسريع الأجهزة
• تسريع
• سياسات استبدال ذاكرة التخزين المؤقت
• الكفاءة النسبية