Instruktionen pro Sekunde

Grundbegriff und Bedeutung

Instruktionen pro Sekunde, kurz IPS, sind eine Maßeinheit für die Rechenleistung von Computern, besonders für die Leistungsfähigkeit der CPU. Die Einheit gibt an, wie viele Maschinenbefehle, also einzelne Instruktionen eines Mikroprozessors, pro Sekunde ausgeführt werden können. Häufig wird die Leistung in MIPS angegeben, also in Millionen Instruktionen pro Sekunde. 1 MIPS bedeutet: Der Prozessor kann eine Million Maschinenbefehle pro Sekunde ausführen.

Hohe IPS-Werte entstehen vor allem bei sehr einfachen Befehlen, zum Beispiel bei Ganzzahlrechnung oder Logikrechnung. Für viele andere Aufgaben ist aber die Leistung bei Gleitkommazahlen wichtiger. Dafür wird die ähnliche Maßeinheit FLOPS verwendet, ausgeschrieben Floating Point Operations Per Second, also Gleitkomma-Operationen pro Sekunde. Die Kennzahl IPS beziehungsweise MIPS gilt teilweise als veraltet; Intel nennt für Xeon-Prozessoren eher FLOPS, bestimmte Benchmarks und konkrete Workloads als übliche Leistungsmaße.

Aussagekraft und Grenzen

Reine MIPS-Zahlen sind nur begrenzt vergleichbar, weil verschiedene Prozessorarchitekturen unterschiedliche Maschinensprachen und Befehlssätze besitzen. Beispiele für solche Architekturen sind x86 und PowerPC. Ein einzelner Maschinenbefehl kann je nach Prozessor sehr unterschiedlich viel leisten.

Als Beispiel nennt der Artikel die Ganzzahl-Multiplikation zweier Register: Beim Intel 8080 oder Zilog Z80 ist das eine 8 bit x 8 bit = 16 bit-Operation. Bei modernen Prozessoren kann eine entsprechende Operation dagegen eine 64 bit x 64 bit = 128 bit-Rechnung sein. Eine solche Rechnung würde auf einem Intel 8080 über 10.000 Takte dauern. Dadurch können ähnliche MIPS-Werte in der Praxis sehr verschiedene tatsächliche Fähigkeiten bedeuten.

Trotz dieser Einschränkungen können IPS-Angaben für bestimmte Einsatzgebiete eine grobe Einschätzung liefern. Das gilt besonders dort, wo vor allem Ganzzahlen, Texte, Datentransport oder Verwaltungsaufgaben wichtig sind, etwa bei Web-, File- und Datenbank-Servern, Routern, Gerätesteuerungen und Smartphones.

Berechnung

Die Leistung L in Instruktionen pro Sekunde wird mit der Formel L = 1 / (CPI * T) berechnet. Die Einheit von L ist IPS.

T ist dabei die Taktzykluslänge. CPI bedeutet Cycles per Instruction und bezeichnet die durchschnittliche Anzahl von Taktzyklen, die ein Rechner zum Ausführen einer Instruktion benötigt. Je kleiner CPI und T sind, desto größer ist der Wert für L.

Einheiten und Vielfache

Wie bei anderen Maßeinheiten werden auch bei IPS Dezimal-Präfixe verwendet. Besonders üblich ist MIPS, also Mega-IPS = 10^6 IPS. MIPS wird laut Artikel im Konsumentenbereich noch häufig genutzt, weil es eine Brücke zwischen schwachen und starken Rechenleistungen bildet.

Zunehmend werden auch GIPS und TIPS verwendet. GIPS bedeutet Giga-IPS = 10^9 IPS. TIPS bedeutet Tera-IPS = 10^12 IPS und wird eher bei Hochleistungsrechnern verwendet.

Typische Werte

Der Artikel enthält eine Zeitachse mit Beispielwerten zur MIPS-Entwicklung, weist aber darauf hin, dass dieser Abschnitt nicht hinreichend mit Belegen ausgestattet ist. Die Zahlen sollten deshalb als beispielhafte, nicht vollständig abgesicherte Angaben verstanden werden.

Frühe Prozessoren erreichen im Artikel deutlich kleinere Werte: Der Intel 8080 wird für 1974 mit 0,1 MIPS genannt, der Z80 für 1974 mit 0,625 MIPS bei 2,5 MHz, der Motorola 68000 für 1979 mit 1 MIPS bei 8 MHz. Spätere Werte steigen stark an: Der Intel 486DX wird für 1992 mit 54 MIPS bei 66 MHz genannt, der DEC Alpha 21064 EV4 für 1992 mit 300 MIPS bei 150 MHz und der PowerPC G3 für 1997 mit 671 MIPS bei 366 MHz.

Für neuere Prozessoren nennt die Tabelle noch deutlich höhere Werte, zum Beispiel den Pentium 3 mit 1.354 MIPS bei 500 MHz im Jahr 1999, den Athlon FX-57 mit 8.400 MIPS bei 2,8 GHz im Jahr 2005, den Xeon Harpertown mit 93.608 MIPS bei 3 GHz im Jahr 2007, den Intel Core i7 2600K mit 128.300 MIPS bei 3,4 GHz im Jahr 2011 und den Intel Core i7 5960X mit 336.000 MIPS bei 3,0 GHz im Jahr 2014.

DMIPS und Kritik

DMIPS bezeichnet einen MIPS-Wert, der mit dem Dhrystone-Benchmark ermittelt wird. Ein Benchmark ist ein Testverfahren, mit dem die Leistung eines Computers oder Prozessors gemessen und verglichen werden soll.

Wegen der problematischen Vergleichbarkeit über Architekturgrenzen hinweg wird MIPS auch scherzhaft kritisch gedeutet. Der Artikel nennt dafür die Formulierungen „Misleading Information to Promote Sales“ („Irreführende Information zur Verkaufsförderung“) und „Meaningless Indication/Information about Processor Speed“ („Bedeutungslose Angabe/Information zur Geschwindigkeit eines Mikroprozessors“). Diese Deutungen unterstreichen, dass MIPS-Werte ohne Kontext leicht missverstanden werden können.