Hakkında Künye

Bilgisayar Performans Kavramı – Darboğaz

Giriş

Tipik Bir Bilgisayarın Temel Parçaları

Tipik bir bilgisayar; işlemci, RAM, grafik kartı, anakart, sabit disk gibi donanımsal parçaların ve yazılımsal olarak işletim sisteminin bir araya getirilmesi ile oluşur.

Resim 1. Intel Core i5 M560 2.67 GHz işlemcili, 8 GB 1333 HHz RAM, Nvidia GT 425M 1 GB grafik kartlı, 250 GB SSD sabit diskli ve Windows 10 Pro x64 yüklü bilgisayarım

Bilgisayar Performansı Nelere Bağlıdır?

Bir bilgisayarın birim zamanda yapabileceği en yüksek işlem sayısı, o bilgisayarın en yüksek performans değerini gösterir. Bilgisayarların performans değerleri, donanım bileşenlerine bağlı olarak değişiklik gösterecektir. Temel olarak, bilgisayarların performans değerleri;

  • işlemci, Ramdom Access Memory (Rastgele Erişimli Bellek, RAM), grafik kartı işlemcilerinin hızına,

  • anakartın bant genişliğine,

  • sabit diskin okuma / yazma hızına,

  • işletim sistemi ve işletim sisteminin ilgili ayarlarına,

  • işletim sistemi haricindeki program ve ilgili programların ayarlarına,

bağlı olarak değişiklik gösterir.

Tanım – Darboğaz (İng. Bottleneck) Nedir?

Bütün bilgisayarlar, hangi an olursa olsun, donanım bileşenlerinden en düşük seviyede hangi bileşen performans gösteriyorsa o bileşen seviyesinde performans gösterirler. Çünkü en düşük başarım gösteren parça, veri aktarım ya da hesaplamalarında gecikmeler olmasına neden olacaktır. Diğer parçalar, ilgili işlemleri ne kadar hızlı gerçekleştirirseler gerçekleştirsinler, en düşük hızda işlemi gerçekleştiren parçanın ilgili işlemi gerçekleştirmesini bekleyeceklerdir. Bu durum, darboğaz olarak adlandırılır.

Şekil 1. Darboğaz

İşlemci Darboğazı [1]

İşlemci darboğazı, diğer tüm parçalar stabil yani normal değerlerdeki iş yükü altında çalışırken işlemcinin diğer parçaların normal iş yükü altında gerçekleştirdiği işlemlerin ihtiyacı olan işlemleri yerine getirebilmek için yüksek performans ile çalışmasıdır. Bir başka ifade ile işlemci limitine ulaşılmış olunur.

Sistem kaynaklarının, işlem sırasında hangi işlem parçacığı varsa o parçacık tarafından kullanılması esasına dayanan First In First Out (İlk Giren İlk Çıkar, FIFO) algoritması, işlemci darboğazının kullanıcı tarafında en sert şekilde hissedilmesine neden olur. Öyleki, bilgisayar kaynaklarını ele alan parçacık, diğer hiçbir parçacığın işlenmesine müsaade etmez ve sistemin cevap verme süresi uzar.

Şekil 2. FIFO algoritmasına sahip bir işlemcide, iş parçacıkları sırası ile işlemcide işlenir. İşlemci darboğazı, yalnızca oyunlarda değil, pek çok uygulama sırasında gerçekleşebilir. Örneğin; birim zamanda en fazla 100 MB veriyi işleyebilen donanımlara sahip bir bilgisayarın işlemcisi, birim zamanda en fazla 1 MB veriyi işleyebiliyorsa bu durumda yine işlemci darboğazı oluşacaktır.

Şekil 3. Günümüz bilgisayar işlemcileri birim zamanda birden fazla iş parçacığını işleyebilme yeteneğine sahiptir.

Günümüz bilgisayarları, birim zamanda birden fazla işlemi gerçekleştirme yeteneğine sahiptir. Ancak bu işlemcilerin kullanılması için işletim sisteminin uyumlu olması ve işletim sisteminde koşturulan programların çoklu işlemciler için optimize edilmiş olması gerekir. Aksi taktirde sistem çoklu işlemciler için istenen performansta çalış(a)mayacaktır.

Grafik Kartı Darboğazı

İşlemci ve grafik kartının ortaklaşa sonucu elde edilen her ekran görüntüsü, birer matematiksel işlem sonucu hesaplanır.

Animasyon 1. Bir mankenin ekrandaki görüntüsünü elde etmek ve mankenin hareket etmesini sağlamak için işlemci ve grafik kartının pek çok hesaplama yapması gerekmektedir. Bilgisayara yönelmiş insan gözünün ortalama 24 kare yakaladığı varsayılır. [2] Bilgisayar oyunlarında performans değerini gösteren “sonuç”, Frame Per Second (FPS, saniyedeki kare miktarı) ‘dır. FPS, diğer bir deyişle ‘çerçeve frekansı’, işlemci ile grafik kartının birlikte hesaplayıp ekrana göndermiş olduğu sahne ya da kare sayısı - yani frekansı- ‘dır. FPS miktarı, ekran yenileme hızından farklı olabilir ve bu durum, bilgisayarın performans değişikliğine neden olmaz. Bir başka deyişle, hesaplanmış olan her görüntü ekran tarafından gösterilmeyebilir. Yüksek FPS değeri elde edip düşük Hz [3] değerine sahip bir ekranda oynan oyun, bu duruma örnek gösterilebilir. Yani grafik kartı ile işlemci yüksek başarım oranı gösterirken, bu başarım sonucunda elde edilmiş olan sahneleri ekran yansıtmak zorunda değildir. Örneğin; 60 Hz bir ekran, 200 FPS değerinde bir görüntüyü ekrana ancak 60 FPS olarak yansıtabilir. Ancak, ekrana yansıtılmamış görüntüler de hesaplanmış olduğu için yüksek performans gerektiren bir oyunda donma ya da kasılma gibi tepki süresinin uzunluğu ile ilgili herhangi bir problem yaşanmayacaktır.

Animasyon 2. 12.5 FPS, 25 FPS ve 50 FPS değerlerindeki görüntülerin karşılaştırılması Genel olarak insan gözü 24 FPS değeri üstündeki görüntüleri birbirinden ayırt edemez.

Animasyon 3. 30 FPS ile 60 FPS değerlerindeki görüntülerin karşılaştırması. Sol taraftaki görüntü 30 FPS, sağ taraftaki ise 60 FPS değerlerine sahiptir. Grafik kartı darboğazı, diğer tüm parçalar stabil çalışırken grafik kartı işlemcisinin yüksek performans ile çalışması ya da grafik kartı hafızasının mevcut kapasitesi üstünde işlem yükü altında kalmasıdır. Bir başka deyişle, grafik kartı limitine ulaşılmış olunur. Bu duruma temel olarak, işlemcinin hızının grafik kartına yetişemiyor olması neden olur. Öyle ki, Şekil 4’te gösterildiği gibi işlemci ekrana yansıtılan DeLorean’ın parçalarının koordinatlarını hesaplarken grafik kartı da hesaplanmış olan bu koordinatları giydirir. Düşük FPS değeri ile sonuçlanan bu durumda, grafik kartına göre yüksek kapasiteli olan işlemci gerekli koordinatları hesaplayıp ekran kartına bildirirken ekran kartı hesaplanmış olan bu koordinatları giydirmekte yetersiz kalır. Böylece düşük işlemci kullanımına karşın yüksek grafik kartı kullanımı ile sonuçlanır.

Şekil 4. İşlemci herbir parçanın koordinatlarını hesaplarken grafik kartı hesaplanmış olan noktaları giydirir.

Sabit Disk Darboğazı

Sabit disk darboğazı, diğer tüm parçalar stabil çalışırken sabit diskin yüksek işlem yükü ile çalışmasıdır. Bu durumda genel olarak sabit disk bilgisayardaki diğer işlemlerin yapılabilmesi için gerekli olan veriyi okuma – yazmada çok yetersiz kalır, bir başka ifade ile sabit diskin limitine ulaşılmış olunur. Stabil çalışan bir sistemin tepki verme süresi milisaniye ile ifade edilirken, bu durumda sistemin tepki verme süresi ya birkaç saniyeden dakikalara kadar çok uzar ya da sistem tamamen kilitlenir.

Şekil 5. Günümüz bilgisayarlarında en çok darboğaz oluşturan parça HDD sabit disklerdir. Solid State Drive (SSD, Katı Hal Sürücü) sabit disk takılan bilgisayarların, aynı özellikteki Hard Disk Drive (HDD, Sabit Disk) [4] sabit disk takılı olan bilgisayarlara göre kat kat fazla hızlı olması sabit disk darboğazına verilebilecek en iyi örnektir. Öyle ki, sistemdeki diğer parçalar yüksek veri işleme kapasitesine sahipken, sabit diskler ilgili işlemlerin hesaplanabilmesi için gereken miktarda veri okuma ve / veya yazma işlemini gerçekleştirmede yetersiz kalmakta ve bu durum, performans üzerinde önemli ölçüde hissedilemektedir. SSD ve HDD diskler arasındaki bu başarım farkı, HDD disklerin okuma / yazma işlemini dönen birkaç manyetik diskin üzerinde gerçekleştirmesinden kaynaklanmaktadır. Öyle ki, okuma / yazma kafaları, sabit disk üzerine parçalanarak yazılmış olan verilere erişmek için sırası ile farklı farklı adresleri okumakta, her okuma işleminin ardından bir sonraki işlem için manyetik disk tekrar döndürülmekte ve bu durum performans kayıpları ile sonuçlanmaktadır. SSD diskler ise hareketli herhangi bir parçaya sahip değildir ve flash bellek mantığı ile çalışır. Yani, SSD diskler rastgele verilere gecikme süresi olmaksızın erişebilmektedir. Böylece SSD sabit disklerin hem veri okumada gecikme süresi olmadığı için hem de verileri yazma – okuma kafalarına göre daha hızlı okuyan bir teknoloji ile üretilmiş oldukları için çok daha yüksek başarım oranı gösterirler.

Resim 2. SSD sabit disk geliştirilmiş flash belleklerin birleştirilmesi ile yapılırken HDD sabit disk manyetik plakaların bir araya getirilmesi ile yapılır.

RAM Darboğazı

RAM darboğazı, diğer tüm parçalar stabil çalışırken RAM’in yüksek performans ya da yüksek kapasite ile çalışması sonucu gözlenir. Bu durumda, sistemin RAM ve RAM dışında sanal bellek [5] gibi RAM’in kaynaklarını daha etkin kullanabilmesi için ayrılmış olan alanların kullanımı limitine ulaşmış olur. Bir başka deyişle, RAM limitine ulaşılmış olur.

Şekil 6 . 8 GB DDR3 RAM’e sahip olan bilgisayarım, 8 GB alanı sabit diskten RAM’e yardımcı kaynak olarak ayırmıştır.

Üstün grafik performansı gerektiren uygulamalarda, grafik kartları için özelleştirilmiş olan ve grafik kartı üzerinde bulunan birer daha geliştirilmiş RAM olan alanların boyutu önem kazanırken, sistem genel performansının üstün niteliklere sahip olmasını gerektiren uygulamalarda, sistemin toplamda sahip olduğu RAM miktarı önem taşımaktadır. Sistemde kullanılabilecek RAM miktarı kullanılan işletim sistemine ve sistemin mimarisine bağlı olarak değişiklik gösterir.

Örneğin; 32 bit bir işletim sisteminde, en fazla

232 = 4294967296 B

= 4294967296 B ÷ 1024

= 4194304 KB ÷ 1024

= 4096 MB

= 4 GB

alan adreslenebilir.

Windows 7 Starter x32 ve x64 en fazla 2 GB alanı adresleyebilirken Windows 7 Ultimate x32 en fazla 4 GB, Windows 7 Ultimate x64 en fazla 192 GB RAM’i adresleyebilir.

Sonuç

Bilgisayarlar, çeşitli amaçlar için çeşitli donanım ve yazılımların bir araya getirilmesi ile oluşturulur. Bilgisayar parçaları bir araya getirilip bir sistem inşa edildiğinde temel amaç “donanımlar arası denge”yi sağlamaktır. Bu amaca ulaşma yolu, bilgisayarın kullanılma amacına bağlı olarak değişiklik gösterecektir.

KAYNAKÇA

  • [1] Intel Hyper Threading hakkında ayrıntılı bilgi almak için e-bergi.com/y/intel_hyper_threading

  • [2] İnsan gözünün 24 FPS değerinin üzerinde algı kapasitesine sahip olduğuna yönelik bazı araştırma sonuçları mevcuttur. Ayrıntılı bilgi için “Gözlerimiz Saniyede Kaç Kare Görüyor?”, www.evrimagaci.org/fotograf/65/5969

  • [3] Hertz, bir saniye içinde gerçekleşen devir sayısını birimidir. Bilgi için tr.wikipedia.org/wiki/Hertz

  • [4] HDD’ler ilk geliştirildikleri günden günümüz SSD sabit disklerine kadar şekil ve çalışma prensipi açısından pek bir farklılık göstermemiş, HDD diskler Türkçeye “sabit disk” olarak çevirilmişlerdir. Ancak günümüzde SSD diskler de birer sabit disk niteliğindedir ve sabit disk kavramı, bilgisayarın dahili tüm depolama ünitelerini kapsayacak biçimde genişlemiştir.

  • [5] Sanal bellek, bilgisayarınızın RAM'ini sabit diskinizdeki geçici alanla birleştirir. RAM azaldığında, sanal bellek, RAM'deki verileri disk belleği dosyası adı verilen bir alana taşır. Verilerin disk belleği dosyasına taşınması ve gerektiğinde buradan alınması, bilgisayarınıza ilgili işi tamamlamak için gereken miktarda RAM sağlar. windows.microsoft.com/tr-tr/windows/what-is-virtual-memory#1TC=windows-7

İletişim için serkan.mete@email.com

Serkan Mete
- 3 -