Parallelism
컴퓨터 구조와 운영체제
CPU의 성능 향상 기법 - 명령어 병렬 처리 기법
빠른 CPU를 만들려면 높은 클럭 속도와 멀티코어, 멀티스레드를 지원하는 CPU를 만드는 것도 중요하지만, CPU가 쉬지 않고 작동하게 하는 것이 중요하다.
명령어를 동시에 처리하여 CPU를 한시도 쉬지 않고 작동시키는 기법인 명령어 병렬 처리 기법에 대해 알아보자.
명령어 파이프라인
명령어 처리 과정을 클럭 단위로 나누어 보면 일반적으로 다음과 같다.
명령어 인출
명령어 해석
명령어 실행
결과 저장
여기서 중요한 점은 같은 단계가 겹치지만 않는다면 CPU는 각 단계를 동시에 실행할 수 있다는 것이다.
예를 들어 CPU는 한 명령어를 인출하는 동시에 다른 명령어를 실행할 수 있는 것이다.
이처럼 명령어들을 명령어 파이프라인에 넣고 동시에 처리하는 기법을 명령어 파이프라이닝 이라고 한다.
파이프라이닝이 높은 성능을 가져오기는 하지만, 특정 상황에서는 파이프라인 위험이라는 상황을 마주할 수 있다. 크게 다음과 같은 위험들이 있다.
데이터 위험
데이터 위험은 명령어 간 데이터 의존성에 의해 발생한다.
모든 명령어를 동시에 처리할 순 없다. 어떤 명령어는 이전 명령어의 결과를 받아야만 실행할 수 있는 경우가 있다.
이렇게 데이터 의존적인 두 명령어를 무작정 동시에 실행하려고 하면 파이프라인이 제대로 작동하지 않는 것을 데이터 위험이라고 한다.
제어 위험
제어 위험은 프로그램 카운터의 갑작스러운 변화에 의해 발생한다.
기본적으로 프로그램 카운터는 현재 실행 중인 명령어의 다음 주소로 갱신되는데, 프로그램 실행 흐름이 바뀌어 명령어가 실행되면서 프로그램 카운터 값에 갑작스러운 변화가 생길 수 있다.
이렇게 되면 명령어 파이프라인에 미리 가지고 와서 처리 중이었던 명령어들은 아무 쓸모가 없어지는데, 이를 제어 위험이라고 한다.
분기 예측 : 프로그램이 어디로 분기할지 미리 예측한 후 그 주소를 인출하는 기술
구조적 위험
구조적 위험은 명령어들을 겹쳐 실행하는 과정에서 서로 다른 명령어가 동시에 ALU, 레지스터 등과 같은 CPU 부품울 사용하려고 할 때 발생한다.
자원 위험이라고도 한다.
슈퍼스칼라
CPU 내부에 여러 개의 명령어 파이프라인을 포함한 구조를 말한다.
슈퍼스칼라 구조로 명령어 처리가 가능한 CPU를 슈퍼스칼라 프로세서 또는 슈퍼스칼라 CPU라고 한다.
슈퍼스칼라 프로세서는 매 클럭 주기마다 동시에 여러 명령어를 인출하고 실행할 수도 있다.
이론적으로는 파이프라인 개수에 비례하여 프로그램 처리 속도가 빨라진다. 하지만 파이프라인 위험도의 증가로 인해 파이프라인 개수에 비례하여 빨라지지는 않는다.
비순차적 명령어 처리
이름 그대로 명령어들을 순차적으로 실행하지 않는 기법이다.
파이프라이닝, 슈퍼스칼라 기법과 같이 모든 명령어를 순차적으로만 처리한다면 예상치 못한 상황에서 명령어 파이프라인은 멈춰 버리게 된다.
명령어를 순차적으로만 실행하지 않고 순서를 바꿔 실행해도 무방한 명령어를 먼저 실행하여 명령어 파이프라인이 멈추는 것을 방지하는 기법을 비순차적 명령어 처리 기법이라고 한다.
비순차적 명령어 처리가 가능한 CPU는 명령어들이 어떤 명령어와 데이터 의존성을 가지고 있는지, 순서를 바꿔 실행할 수 있는 명령어에는 어떤 것들이 있는지 판단할 수 있어야 한다.
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