플롭스

1. 개요

플롭스(FLOPS, FLoating-point Operations Per Second)는 컴퓨터의 부동 소수점 연산 속도를 나타내는 단위로, 연산식은 `cores × clock × FLOPs/cycle`로 계산된다. 플롭스는 PC, 서버, ARM, 게임 콘솔, 슈퍼컴퓨터, 분산 컴퓨팅, GPU, GPU 가속기, FPGA 등 다양한 하드웨어에서 측정되며, 하드웨어의 발전과 함께 연산 능력 및 단위당 하드웨어 비용 감소가 이루어졌다. 페타플롭스는 1초당 1,000조 번의 연산 처리를 의미하며, 슈퍼컴퓨터의 성능을 나타내는 지표로 사용된다.

2. 연산식

플롭스 연산식은 다음과 같이 계산된다.

:$\backslash text\{FLOPS\}\; =\; \backslash text\{cores\}\; \backslash times\; \backslash text\{clock\}\; \backslash times\; \backslash frac\{\backslash text\{FLOPs\}\}\{\backslash text\{cycle\}\}$

3. 대표적인 하드웨어의 부동 소수점 연산 능력

3.1. PC (Intel)

인텔 CPU의 FLOPS 성능은 펜티엄부터 코어 i9까지 꾸준히 발전해왔다. 코어 수, 클럭, 배정밀도 FLOPS, 이론값/실측값, 이론값 계산식은 다음과 같다.

코어 2 듀오는 클럭당 SSE를 통해 덧셈과 곱셈을 계산하여 128비트 폭에서 배정밀도로 4 FLOPS/클럭을 달성했다. 샌디 브릿지에 탑재된 인텔 AVX는 256비트 폭으로 8 FLOPS/클럭을, 인텔 FMA는 융합 곱셈-덧셈 명령으로 1 명령에 곱셈과 덧셈 2 연산을 처리하여 16 FLOPS/클럭을 가능하게 했다. 단정밀도의 경우 연산 횟수는 2배이다. 아톰은 클럭당 1개의 SSE 덧셈 명령과 2 클럭당 1개의 SSE 곱셈 명령을 실행하여 배정밀도로 3 FLOPS/클럭이다.

3.2. 서버 (Intel)

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3.3. PC/Server (AMD)

AMD는 Phenom II (X4 980 Black Edition, X6 1100T Black Edition), Bobcat 마이크로아키텍처 기반 Fusion E 시리즈, Magny-Cours 및 Interlagos , Bulldozer 마이크로아키텍처 기반 FX, Vermeer 아키텍처 기반 Ryzen 9, 그리고 Milan 아키텍처 기반 EPYC 프로세서 등을 출시했다.

Bulldozer는 1 모듈당 2개의 128비트 FMA(곱셈-누산) 연산기를 가지고 있으며, 배정밀도는 2개의 FMA 명령을 동시에 실행하여 8 FLOPS/Cycle을 달성한다.

3.4. ARM

ARM 프로세서의 FLOPS 성능은 다음과 같다.

NetWalker PC-Z1의 CPU는 3.2GFLOPS(ARM Cortex-A8 800MHz,SIMD), 0.64GFLOPS(동일 VFP)의 성능을 갖는다.

ARM NEON은 ARM Cortex-A15까지는 배정밀도를 처리할 수 없고, 단정밀도만 가능하다. ARM NEON은 128비트 폭으로 단정밀도일 경우 4 FLOPS/Cycle 이지만, ARM Cortex-A15에는 FMA가 있으므로 8 FLOPS/Cycle이다.

배정밀도는, ARM Cortex-A9는 VFPv3에 의해 2 cycle로 덧셈 2회, 곱셈 1회, 총 3연산을 할 수 있으므로, 1.5 FLOPS/Cycle이다. ARM Cortex-A15는 VFPv4에 의해, 1 cycle에 1회 FMA를 계산할 수 있으므로, 2 FLOPS/Cycle이다. ARM Cortex-A57부터는 NEON에서도 배정밀도를 처리할 수 있게 된다.

3.5. 게임 콘솔

드림캐스트는 1.4GFLOPS(SH-4 단독), Xbox는 1.5GFLOPS의 성능을 가진다. Xbox 360은 115.2GFLOPS(Xenon 단독), 240GFLOPS(Xenos GPU 단독), 1TFLOPS (시스템 전체, 자세한 내역은 불명)의 성능을 나타낸다. Xbox One은 1.3TFLOPS(GPU 단독), Xbox One S는 1.4TFLOPS(GPU 단독), Xbox One X는 6TFLOPS(GPU 단독)이다. Xbox Series X는 12.15TFLOPS(GPU 단독), Xbox Series S는 4TFLOPS(GPU 단독)의 성능을 보인다.

PlayStation Portable은 CPU 2.6GFLOPS / 9.6GFLOPS (피크 시/시스템 전체)의 성능을 가지며, PlayStation 2는 6.2GFLOPS(Emotion Engine 단독)이다. PlayStation 3는 218GFLOPS(Cell Broadband Engine 단독), 224GFLOPS(RSX 단독), 2TFLOPS (시스템 전체, 자세한 내역은 불명)의 성능을 갖는다. PlayStation 4는 1.84TFLOPS(GPU 단독), PlayStation 4 Pro는 4.2TFLOPS(GPU 단독)이다. PlayStation 5는 10.3TFLOPS(GPU 단독)의 성능을 가진다.

3.6. 슈퍼컴퓨터

페타플롭스(PetaFlops)는 1초당 1,000조 번의 수학 연산처리를 뜻하는 말로, 슈퍼컴퓨터의 성능을 나타내는 주요 지표로 사용된다. 미국은 1991년부터 페타플롭스 컴퓨터 연구 개발을 검토해왔으며, 일본도 2010년까지 페타플롭스 성능을 가진 슈퍼컴퓨터를 개발할 계획을 발표한 바 있다. IBM, 휴렛패커드, 선마이크로시스템스, 실리콘그래픽스(SGI) 등 여러 기업들이 페타플롭스 슈퍼컴퓨터 개발에 참여하고 있다.

역대 슈퍼컴퓨터들의 FLOPS 성능은 다음과 같다:

3.7. 분산 컴퓨팅

분산 컴퓨팅은 슈퍼컴퓨터와 비슷한 성능 구조를 가지며, 성능을 나타낼 때 플롭스 단위를 사용한다.

* 코리아앳홈은 325GFLOPS 정도를 기록한다.
* 세티앳홈은 평균적으로 610TFLOPS 이상을 기록한다.
* BOINC는 7041TFLOPS(7.04PFLOPS) 정도를 기록한다.

3.8. GPU

NVIDIA의 GeForce 시리즈는 8600 GTS(92.8 GFLOPS)부터 RTX 4090(82.58 TFLOPS)까지 다양한 성능을 제공한다. 단정밀도 연산 성능은 모델에 따라 크게 차이가 나며, 최신 모델일수록 더 높은 FLOPS 값을 가진다. 예를 들어, GTX 480은 1.345 TFLOPS, GTX 1080은 8.872 TFLOPS, RTX 2080은 10.07 TFLOPS, 그리고 RTX 3080은 29.77 TFLOPS의 단정밀도 성능을 제공한다.

AMD의 Radeon 시리즈는 HD 3650(174 GFLOPS)부터 R9 295X2(11.467 TFLOPS)까지 다양한 성능을 제공한다. NVIDIA와 마찬가지로, 최신 모델일수록 더 높은 FLOPS 값을 가진다. HD 5870은 2.72 TFLOPS, HD 7970 GHz 에디션은 4.301 TFLOPS의 단정밀도 성능을 제공한다.

Intel 내장 그래픽은 Intel GMA X4500(32 GFLOPS)부터 Iris Pro Graphics 6200(883 GFLOPS)까지 성능이 향상되었다. HD Graphics의 각 EU는 4-way SIMD 연산기를 갖추고 있으며, Sandy Bridge 이전 세대에서는 4 FLOPS/EU, Sandy Bridge 세대에서는 8 FLOPS/EU, Ivy Bridge 세대 이후에는 16 FLOPS/EU의 성능을 제공한다.

모바일 GPU의 경우, 퀄컴 스냅드래곤 시리즈의 Adreno GPU는 Adreno 200(3.92 GFLOPS)부터 Adreno 430(324 GFLOPS)까지 성능이 향상되었다. 애플 A 시리즈 칩에 탑재된 GPU는 A4(1.6 GFLOPS)부터 A16(2.0 TFLOPS)까지, M 시리즈 칩에 탑재된 GPU는 M1(2.6 TFLOPS)부터 M2 Ultra(27.2 TFLOPS)까지 성능이 크게 향상되었다. 삼성 엑시노스 시리즈의 GPU는 Exynos 3(3.2 GFLOPS)부터 Exynos 5420 Octa(102.4 GFLOPS)까지 성능이 향상되었다.

다음은 다양한 GPU의 FLOPS 성능을 정리한 표이다.

3.9. GPU 가속기

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3.10. FPGA

알테라

자일링스

4. 단위당 연산 비용

4.1. 하드웨어 비용

컴퓨터의 연산 능력과 연산 능력당 하드웨어 비용 감소가 비약적으로 증가했다.

4.2. 연산 비용

Green500 목록에 따르면, 2010년 6월 현재 가장 효율적인 TOP500 슈퍼컴퓨터는 와트당 773.38 메가플롭스를 연산한다. 이를 다시 환산하면, 기가플롭스를 연산하는데 최소한 1.29 와트가 필요하다는 것을 알 수 있다.

5. 페타플롭스

페타플롭스(PetaFlops)는 1초당 1,000조 번의 수학 연산처리를 뜻하는 말로, 페타플롭(PetaFlop) 또는 피플롭(PFLOP)이라고도 한다. 이는 국제단위계(SI)에서 10¹⁵을 나타내는 접두어 페타(Peta)와 초당 수행 가능한 부동소수점 연산 횟수를 나타내는 컴퓨터 성능 단위 플롭스(Flops)를 합쳐 만든 신조어이다. 1페타플롭스 프로세서를 장착한 컴퓨터는 펜티엄 133Mz 프로세서보다 1억 배 빠른 연산처리 속도를 갖는다.

미국은 1991년 퍼듀 대학교에서 열린 고성능 컴퓨팅과 통신(HPCC) 워크숍에서 페타플롭스 컴퓨터 연구 개발을 검토한 뒤 매년 관련 워크숍과 심포지엄을 개최하며 이 분야 연구를 주도하고 있다. 일본 문부과학성 자문기구인 과학기술·학술심의회도 2005년 1월 발표한 '제3기(2006~10) 과학기술 기본계획'에 포함된 '10대기간기술개발안'에서 2010년까지 페타플롭스 성능을 가진 슈퍼컴퓨터를 개발할 계획이라고 밝혔다. IBM, 휴렛 팩커드, 선 마이크로시스템즈, 실리콘 그래픽스 등 미국의 주요 컴퓨터 업체들도 페타플롭스급 슈퍼컴퓨터 개발에 참여하고 있다. 특히 IBM은 2010년까지 페타플롭스 슈퍼컴퓨터 X1을 상용화할 계획이라고 발표했다.