[CS] 혼공컴운 Chpater 5. CPU 성능 향상 기법

05-1 빠른 CPU를 위한 설계 기법

클럭

컴퓨터 부품들은 '클럭 신호'에 맞춰 일사불란하게 움직인다.
CPU는 '명령어 사이클'이라는 정해진 흐름에 맞춰 명령어들을 실행한다.

클럭 속도가 높아지면 CPU는 명령어 사이클을 더 빠르게 반복할 것이고, 다른 부품들도 그에 발맞춰 더 빠르게 작동하므로 클럭 속도가 높은 CPU 일수록 일반적으로 성능이 좋다.

 

클럭 속도

• 헤르츠(Hz) 단위로 측정
• 1초에 클럭이 몇 번 반복되는지
• 2.5GHz는 1초에 25억(2.5 x 10^9)번 반복됨

코어와 멀티코어

클럭 속도를 높이지 않고도 CPU의 성능을 높이는 대표적인 방법은 CPU의 코어와 스레드 수를 늘리는 것이다.

• CPU는 '명령어를 실행하는 부품'
• 전통적인 관점에서 '명령어를 실행하는 부품'은 원칙적으로 하나만 존재
• 하지만 오늘날 기술발전을 거듭해 CPU 내부에는 '명령어를 실행하는 부품'이 여러 개 포함되어 있으며 이를 '코어(core)'라는 용어로 사용
• 코어를 여러 개 포함하고 있는 CPU를 멀티코어 CPU 또는 멀티코어 프로세서 라고 부름

스레드와 멀티스레드

스레드의 사전적 의미는 '실행 흐름의 단위'

 

하드웨어적 스레드

'하나의 코어가 동시에 처리하는 명령어 단위'

2코어 4스레드 CPU

• 하나의 코어로 여러 명령어를 동시에 처리하는 CPU를 멀티스레드 프로세서 또는 멀티스레드 CPU 라고 함
• 멀티스레드 프로세서란 여러 개의 하드웨어적 스레드를 지원하는 CPU를 말함

 

소프트웨어적 스레드

'하나의 프로그램에서 독립적으로 실행되는 단위'

위와 같이 1코어 1스레드 CPU도 소프트웨어적 스레드를 수십 개 실행 할 수 있기 때문에 프로그램의 여러 부분을 동시에 실행할 수 있다.

 

멀티스레드 프로세서

멀티스레드 프로세서 설계의 가장 큰 핵심은 레지스터이다.

• 프로그램 카운터, 스택 포인터, 메모리 버퍼 레지스터, 메모리 주소 레지스터와 같이 하나의 명령어를 처리하기 위해 꼭 필요한 레지스터를 여러 개 가지고 있으면 된다.
• 다음 그림과 같이 레지스터 세트가 두 개인 CPU는 두 개의 명령어를 처리하기 위한 정보들을 기억할 수 있다.
• ALU와 제어장치가 두 개의 레지스터 세트에 저장된 명령어를 해석하고 실행하면 하나의 코어에서 두 개의 명령어가 동시에 실행.

 

논리 프로세서

• 하드웨어 스레드를 이용해 하나의 코어로도 여러 명령어를 동시에 처리할 수 있다.
• 그러나 메모리 내의 프로그램 입장에서 하드웨어 스레드는 마치 '한 번에 하나의 명령어를 처리하는 CPU'나 다름없다.
• 예를들어 2코어 4스레드 CPU는 한 번에 네 개의 명령어를 처리할 수 있는데, 프로그램 입장에서는 CPU가 네 개 있는 것처럼 보임.
• 그렇기 때문에 논리적인 CPU라는 의미로 하드웨어 스레드를 논리 프로세서 라고 부르기도 한다.

코어 vs 스레드

• 코어는 명령어를 실행 할 수 있는 '하드웨어 부품'
• 스레드는 '명령어를 실행하는 단위'
• 멀티코어 프로세서는 명령어를 실행할 수 있는 하드웨어 부품이 CPU안에 두 개 이상 있는 CPU
• 멀티스레드 프로세서는 하나의 코어로 여러 개의 명령어를 동시에 실행 할 수 있는 CPU

 

05-2 명령어 병렬 처리 기법

명령어를 동시에 처리하여 CPU를 한시도 쉬지 않고 작동시키는 기법

 

명령어 파이프라인

명령어 처리 과정을 클럭 단위로 나누면

1. 명령어 인출(Instruction Fetch)
2. 명령어 해석(Instruction Decode)
3. 명령어 실행(Execute Instruction)
4. 결과 저장(Write Back)

 

• 같은 단계가 겹치지만 않는다면 CPU는 각 단계를 동시에 실행할 수 있다.
• 마치 공장 생산 라인과 같이 명령어들을 명령어 파이프라인에 넣고 동시에 처리하는 기법을 명령어 파이프라이닝이라고 한다.

파이프라인 위험

• 파이프라이닝이 성능 향상에 실패하는 상황

데이터 위험

• 명령어 간 '데이터 의존성'에 의해 발생.
• 모든 명령어를 동시에 처리할 수는 없다. 이전 명령어를 끝까지 실행해야만 비로소 실행할 수 있는 경우가 있기 때문.
• 데이터 의존적인 두 명령어를 동시에 실행하려고 하면 파이프라인이 제대로 작동하지 않는 것.

 

제어 위험

• 분기 등으로 인한 프로그램 카운터의 갑작스러운 변화에 의해 발생.
• 기본적으로 프래그램 카운터는 현재 실행 중인 명령어의 다음 주소로 갱신.
• 하지만 프로그램 카운터 값에 갑작스러운 변화가 생긴다면 파이프라인에 미리 가지고 와서 처리중이었던 명령어들은 쓸모 없어짐.
• 분기 예측: 프로그램이 어디로 분기할지 미리 예측한 후 그 주소를 인출하는 기술.

 

구조적 위험

• 명령어들을 겹쳐 실행하는 과정에서 서로 다른 명령어가 동시에 ALU, 레지스터 등과 같은 CPU 부품을 사용하려 할 때 발생.

 

슈퍼스칼라

• CPU 내부에 여러 개의 명령어 파이프라인을 포함한 구조
• 슈퍼스칼라 구조로 명령어 처리가 가능한 CPU를 슈퍼스칼라 프로세서(CPU)라고 함.

 

비순차적 명령어 처리(OoOE: Out of Order Execution)

• 명령어들을 순차적으로 실행하지 않는 기법 -> 합법적인 새치기
• 예상치 못한 상황에서 파이프라인의 중단을 방지하기 위함.
• 서로 데이터 의존성이 없어야 하며, 순서를 바꿔 실행해도 무방한 명령어를 먼저 실행

• 예시
  • 3번은 1,2번이 끝날때까지 기다려야 하기 때문에 다음과 같이 순차적으로 실행된다.

• 3번의 순서를 변경했을 때 더 효율적으로 수행된다.

 

05-3 CISC와 RISC

명령어 집합

•  

 

CISC

•  

 

RISC

•