[멀티코어CPU] 04. 명령어 파이프라인 & 비순차 실행

 

 

정내훈 교수님이 추천한 책

「 프로그래머가 몰랐던 멀티코어 CPU 이야기」 - 김민장 지음 

위의 책을 토대로 공부한 내용이 작성되었음

 

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- 파이프라인(pipeline)

 : 작업을 여러 개로 나누고 세부 단계가 서로 동시에 실행할 수 있음

 : 연속으로 주어지는 작업을 처리하는 데 있어 처리율을 높이는 일반적인 알고리즘 (레이턴시 개선 X)

 : 핵심 → 재사용 / 병렬 실행

 : 이상적인 처리율 증가는 파이프 라인 단계 수만큼 임 → 아래의 4가지 조건을 만족해야 함

  1) 균등한 파이프 라인 단계 (각 단계는 균등한 길이로 나뉨)

  2) 같은 작업 (항상 같은 작업만 수행함)

  3) 독립적인 작업 (투입되는 작업은 서로 의존 관계 X)

  4) 파이프 라인 유지 비용 최소화 (최적의 파이프 라인 깊이 찾아야 함) 

 

 : 명령어 처리율 높이는 방법 → 최대한 많은 일을 병렬로 처리 해야 함 → 병렬성 + 하드웨어 지원

 : ex) 명령어 파이프라인 : < 명령어 인출 → 명령어 해독 → 피연산자 인출 → 명령어 실행 → 결과 저장 > 이 단계를 파이프 라인으로 돌리는 것

 : 파이프 라인 단계 하나는 한 사이클 내에 완료 되어야 함 (가장 긴 파이프 라인 단계가 프로세서 클록 속도 결정)

 

 : 명령어가 요구하는 작업이 다르기에 위의 두 번째 조건이 만족 되기 어렵다

 : 위의 과정대로 진행하면 내부 단편화 문제 발생 → 단계를 합치거나 나눠 해결

 

 : 파이프 라인의 깊이는 성능에 큰 영향 → 클럭 속도 결정하기 때문 

 : 파이프 라인의 단계를 더 잘게 나누어 길게 늘리면 빠른 클록 얻기 가능함 ( 너무 올려버리면 시스템 성능 하락 가능 )

 

 

 

 - 파이프 라인 해저드(hazard)

  → 프로세서에서 의존성으로 발생할 수 있는 문제 → 해결 방법 : stall (파이프 라인 정지) ?

 1) 구조 해저드 (structual hazard) :  프로세서의 자원 부족으로 인한 스톨 →  자원 증가 필요

 2) 컨트롤 해저드 (control hazard) : 프로그램이 근본적으로 갖고 있는 의존성으로 인해 발생(ex. 분기문의 결과 필요로 인한 stall 등) → 분기예측 (추후 다룸)

 3) 데이터 해저드 (data hazard) : 데이터 의존성과 메모리 의존성으로 인한 발생 → 바이패스 이용

 : 바이패스 → 이전 단계에서 계산된 결과를 현재 단계에서 필요로 하는 경우에 사용, 데이터가 아직 파이프 라인을 통해 다음 단계로 이동하기 전에 이미 사용 가능한 경우에 이를 이용

 

 

 

- 비순차 실행

 : 프로세서가 직접 명령어 사이의 의존성을 분석해 실행 가능한 명령을 미리 실행시켜 시간 단축

 : 슈퍼스칼라 파이프라인 구조 → 파이프 라인이 여러 개 있어 명령어를 병렬로 처리하는 구조

   1보다큰 IPC 얻게 함

 

 

 

- 원리) 명령어 수준 병렬성(Instruction Level Parallelism, ILP)

 : 비순차 실행은 ILP를 찾아 데이터의 흐름에 따라 명령어를 처리하는 기술

 : '동시'에 실행되는 병렬성을 스레드 수준 별렬성(TLP) → 멀티스레드 프로그램 작성 시 얻는 병렬성

 ; 데이터 의존성만 지킨다면 실제 실행 순서는 바뀌어도 문제 없음 → ILP