Rendimiento informático

En informática , el rendimiento de un ordenador se refiere a la cantidad de trabajo útil que realiza un sistema informático . Fuera de contextos específicos, el rendimiento se estima en términos de precisión, eficiencia y velocidad de ejecución de las instrucciones de los programas . Para lograr un alto rendimiento informático, pueden intervenir uno o más de los siguientes factores:

• Tiempo de respuesta breve para una tarea determinada.
• Alto rendimiento (velocidad de procesamiento de tareas).
• Baja utilización de los recursos informáticos .
  • Compresión y descompresión de datos rápida (o altamente compacta) .
• Alta disponibilidad del sistema informático o de la aplicación.
• Alto ancho de banda .
• Tiempo de transmisión de datos corto .

El rendimiento de cualquier sistema informático puede evaluarse en términos técnicos y medibles, utilizando una o más de las métricas enumeradas anteriormente. De esta manera, el rendimiento puede ser

• Comparado con otros sistemas o con el mismo sistema antes/después de los cambios.
• En términos absolutos, por ejemplo, para cumplir una obligación contractual.

Si bien la definición anterior se refiere a un enfoque científico y técnico, la siguiente definición proporcionada por Arnold Allen sería útil para un público no técnico:

La palabra rendimiento en rendimiento informático significa lo mismo que rendimiento en otros contextos, es decir, significa "¿Qué tan bien está haciendo la computadora el trabajo que se supone que debe hacer?" ^{[ 1 ]}

La ingeniería de rendimiento dentro de la ingeniería de sistemas abarca el conjunto de roles, habilidades, actividades, prácticas, herramientas y entregables que se aplican en cada fase del ciclo de vida del desarrollo de sistemas y que garantizan que una solución se diseñe, implemente y reciba soporte operativo para cumplir con los requisitos de rendimiento definidos para la solución.

La ingeniería de rendimiento se ocupa constantemente de encontrar un equilibrio entre los diferentes tipos de rendimiento. En ocasiones, un diseñador de CPU puede encontrar la manera de crear una CPU con un mejor rendimiento general mejorando uno de los aspectos del rendimiento que se presentan a continuación, sin sacrificar el rendimiento de la CPU en otras áreas. Por ejemplo, construyendo la CPU con transistores mejores y más rápidos .

Sin embargo, a veces llevar un tipo de rendimiento al extremo conlleva un rendimiento general de la CPU inferior, porque se sacrificaron otros aspectos importantes para obtener una cifra que parece impresionante, por ejemplo, la frecuencia de reloj del chip (véase el mito de los megahercios ).

Las métricas de rendimiento informático (elementos a medir) incluyen disponibilidad , tiempo de respuesta , capacidad del canal , latencia , tiempo de finalización , tiempo de servicio , ancho de banda , rendimiento , eficiencia relativa , escalabilidad , rendimiento por vatio , relación de compresión , longitud de la ruta de instrucción y aceleración . Hay disponibles pruebas de rendimiento de la CPU . ^{[ 2 ]}

Debido a la gran cantidad de programas que existen para probar una CPU en todos los aspectos de su rendimiento, se desarrollaron pruebas de rendimiento (benchmarks ).

Los benchmarks más famosos son los benchmarks SPECint y SPECfp desarrollados por Standard Performance Evaluation Corporation y el benchmark Certification Mark desarrollado por Embedded Microprocessor Benchmark Consortium EEMBC .

En ingeniería de software, las pruebas de rendimiento se realizan, en general, para determinar cómo se comporta un sistema en términos de capacidad de respuesta y estabilidad bajo una carga de trabajo específica. También pueden servir para investigar, medir, validar o verificar otros atributos de calidad del sistema, como la escalabilidad, la fiabilidad y el uso de recursos.

Las pruebas de rendimiento son un subconjunto de la ingeniería de rendimiento, una práctica emergente de la informática que busca integrar el rendimiento en la implementación, el diseño y la arquitectura de un sistema.

La unidad central de procesamiento (CPU), también llamada procesador central, procesador principal o simplemente procesador, es el procesador principal de una computadora. Sus circuitos electrónicos ejecutan las instrucciones de un programa informático, como operaciones aritméticas, lógicas, de control y de entrada/salida (E/S). ^{[ 9 ]}

The performance or speed of a processor depends, among other things, on the clock frequency (usually measured in hertz) and the number of instructions per cycle (IPC), which together determine the number of instructions per second (IPS) the CPU can execute.^[10] Many reported IPS values represent "peak" execution speeds for artificial instruction sequences with few branches, whereas real workloads consist of a mix of instructions and applications, some of which run longer than others. The performance of the memory hierarchy also greatly affects processor performance, a factor that is rarely considered when calculating IPS. Due to these issues, various standardized tests, often called "benchmarks," such as SPECint, have been developed to attempt to measure real effective performance in commonly used applications.

Computer performance increases through the use of multicore processors, which essentially connect two or more separate processors (in this sense called cores) on a single integrated circuit. Ideally, a dual-core processor should be almost twice as powerful as a single-core one. In practice, performance gains are much smaller, about 50%, due to imperfect software algorithms and implementation.^[11] Increasing the number of cores in a processor (e.g., dual-core, quad-core, etc.) increases the workload it can handle. This means the processor can now process numerous asynchronous events, interrupts, and so forth, which might negatively impact the CPU under overload. These cores can be viewed as different floors in a processing plant, where each floor handles its own task. Sometimes these cores will process the same tasks as neighboring cores if one core is insufficient for handling the information. Multicore CPUs enhance a computer's ability to perform multiple tasks simultaneously by providing additional computational power. However, the speed increase is not directly proportional to the number of cores added. This is because cores need to interact via specific channels, and this inter-core communication consumes part of the available computing power.^[12]

Due to the specific capabilities of modern CPUs, such as simultaneous multithreading and uncore— which imply shared use of actual CPU resources to improve utilization—monitoring performance levels and hardware usage has gradually become a more complex task.^[13] In response, some CPUs implement additional hardware logic that tracks the actual utilization of various parts of the CPU and provides various counters accessible to software; an example is Intel's Performance Counter Monitor technology.^[14]

La optimización del rendimiento consiste en mejorar el desempeño de un sistema . Si bien suele aplicarse a aplicaciones informáticas, los mismos métodos pueden utilizarse en mercados económicos, burocracias u otros sistemas complejos. La motivación para esta actividad se denomina problema de rendimiento, que puede ser real o previsto. La mayoría de los sistemas responden a un aumento de carga con una disminución del rendimiento. La capacidad de un sistema para soportar una mayor carga se denomina escalabilidad , y modificar un sistema para que gestione una mayor carga es sinónimo de optimización del rendimiento.

La puesta a punto sistemática sigue estos pasos:

1. Evaluar el problema y establecer valores numéricos que clasifiquen el comportamiento aceptable.
2. Mida el rendimiento del sistema antes de modificarlo.
3. Identifica la parte del sistema que es fundamental para mejorar el rendimiento. Esto se denomina cuello de botella .
4. Modifique esa parte del sistema para eliminar el cuello de botella.
5. Mida el rendimiento del sistema después de la modificación.
6. Si la modificación mejora el rendimiento, adóptala. Si la modificación lo empeora, vuelve a la configuración anterior.

En ingeniería informática, el rendimiento percibido se refiere a la rapidez con la que una función de software parece realizar su tarea. Este concepto se aplica principalmente a aspectos de aceptación por parte del usuario .

Mostrar una pantalla de inicio (véase Pantalla de bienvenida) o un cuadro de diálogo de progreso de la descarga no acelera el proceso. Sin embargo, satisface algunas necesidades del usuario: le da una apariencia de mayor rapidez y, además, proporciona una señal visual que le indica que el sistema está procesando su solicitud.

En la mayoría de los casos, aumentar el rendimiento real aumenta el rendimiento percibido, pero cuando el rendimiento real no se puede aumentar debido a limitaciones físicas, se pueden utilizar técnicas para aumentar el rendimiento percibido.

El tiempo total ( t ) necesario para ejecutar un programa de referencia específico es

${\displaystyle t={\tfrac {NC}{f}}}$o equivalentemente

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

dónde

• ${\textstyle P={\frac {1}{t}}}$es "el rendimiento" en términos de tiempo de ejecución
• ${\textstyle N}$N es el número de instrucciones ejecutadas (la longitud de la ruta de instrucción ). La densidad del código del conjunto de instrucciones afecta fuertemente a N. El valor de N puede determinarse con exactitud mediante un simulador de conjunto de instrucciones (si está disponible) o mediante estimación, que a su vez se basa parcialmente en la distribución de frecuencia estimada o real de las variables de entrada y en el análisis del código máquina generado por un compilador HLL . No puede determinarse a partir del número de líneas de código fuente HLL. N no se ve afectado por otros procesos que se ejecutan en el mismo procesador. El punto importante aquí es que el hardware normalmente no registra (o al menos no facilita) el valor de N para los programas ejecutados. Por lo tanto, el valor solo puede determinarse con precisión mediante la simulación del conjunto de instrucciones, lo cual rara vez se practica.
• ${\textstyle f}$es la frecuencia del reloj en ciclos por segundo.
• ${\textstyle C={\frac {1}{I}}}$es el promedio de ciclos por instrucción (CPI) para esta prueba de rendimiento.
• ${\textstyle I={\frac {1}{C}}}$es el promedio de instrucciones por ciclo (IPC) para esta prueba de rendimiento.

Incluso en una misma máquina, un compilador diferente o el mismo compilador con diferentes opciones de optimización pueden cambiar N y CPI: la prueba de rendimiento se ejecuta más rápido si el nuevo compilador puede mejorar N o C sin empeorar el otro, pero a menudo existe una compensación entre ellos: ¿es mejor, por ejemplo, usar unas pocas instrucciones complicadas que tardan mucho tiempo en ejecutarse, o usar instrucciones que se ejecutan muy rápidamente, aunque se necesiten más para ejecutar la prueba de rendimiento?

A menudo se requiere que un diseñador de CPU implemente un conjunto de instrucciones particular , por lo que no puede cambiar N. A veces, un diseñador se centra en mejorar el rendimiento realizando mejoras significativas en f (con técnicas como pipelines más profundos y cachés más rápidas), mientras que (con suerte) no sacrifica demasiado C, lo que lleva a un diseño de CPU ultrarrápido . A veces, un diseñador se centra en mejorar el rendimiento realizando mejoras significativas en CPI (con técnicas como ejecución fuera de orden , CPU superescalares , cachés más grandes, cachés con tasas de acierto mejoradas, predicción de bifurcaciones mejorada , ejecución especulativa , etc.), mientras que (con suerte) no sacrifica demasiado la frecuencia de reloj, lo que lleva a un diseño de CPU de alto rendimiento. ^{[ 16 ]} Para un conjunto de instrucciones dado (y por lo tanto N fijo) y un proceso de semiconductor, el rendimiento máximo de un solo hilo (1/t) requiere un equilibrio entre técnicas de alto rendimiento y técnicas de alto rendimiento. ^{[ 15 ]}

• Eficiencia algorítmica
• Computación (aprendizaje automático)
• Rendimiento informático por órdenes de magnitud
• Rendimiento de la red
• Arquitectura de procesador orientada a la latencia
• Optimización (informática)
• Tasa de actualización de la RAM
• Conjunto completo de instrucciones
• aceleración de hardware
• Aceleración
• Políticas de reemplazo de caché
• Comprender el hardware de su PC
• Eficiencia relativa