섹션5 | CPU의 성능 향상 기법

🧩 빠른 CPU를 위한 설계 기법

1. 클럭

컴퓨터의 모든 부품을 움직이게 하는 시간 단위

• 속도 : Hz 단위로 측정
• Hz : 1초에 클럭이 반복되는 횟수
• 클럭 속도 높이는 방법 외, 코어 수/스레드 수 늘리는 방법 있음

 

2. 코어와 멀티 코어

코어 (Core)
: CPU 내에서 명령어를 실행하는 부품 (여러 개 가능)

 

- 멀티코어 프로세서 : 여러 개의 코어를 포함하고 있는 CPU

 

 

3. 스레드와 멀티 스레드

스레드 (Thread)
: 실행 흐름의 단위

 

 

1) HW 스레드

하나의 코어가 동시에 처리하는 명령어 단위 (= 논리 프로세서)

• 멀티 스레드 프로세서, 멀티스레드 CPU
  • 멀티 스레드 프로세서 설계 시 가장 큰 핵심 : 레지스터

 

 

 

2) SW 스레드

하나의 프로그램에서 독립적으로 실행되는 단위

 

 

 

 

 

🧩 명령어 병렬 처리 기법

명령어 파이프라이닝

동시에 여러 개의 명령어를 겹쳐 실행하는 기법

• 명령어 처리 과정 : 명령어 인출 (Instruction Fetch) > 명령어 해석 (Instruction Decode) > 명령어 실행 (Execute Instruction) > 결과 저장 (Write Back)
• 같은 단계가 겹치지 않는다면, CPU는 '각 단계 동시 실행 가능'

 

파이프라인 위험

명령어 파이프라인이 성능 향상에 실패하는 경우

 

1. 데이터 위험

- 명령어 간 의존성에 의해 야기- 모든 명령어 동시 처리 불가 (이전 명령어를 끝까지 실행해야만 비로소 실행 가능한 경우)

 

2. 제어 위험- 프로그램 카운터의 갑작스러운 변화- 분기 예측

 

3. 구조 위험

- 서로 다른 명령어가 같은 CPU 부품 (ALU, 레지스터)를 쓰려고 할 때

 

 

슈퍼스칼라

CPU 내부에 여러 개의 명렁어 파이프라인을 포함한 구조
(오늘날 멀티 프로세서)

- 파이프라인 위험도 증가로 인해, 파이프라인 개수에 비례해 처리 속도가 증가하진 않음

 

 

비순차적 명령어 처리

파이프라인 중단을 방지하기 위해
명령어를 순차적으로 처리하지 않는 명령어 병렬 처리 기법

= 합법적 새치기

 

- 의존성이 없는 명령어의 순서를 바꾸는 것만으로도 파이프라인 중단 방지 가능.
- 전체 프로그램 실행 흐름에는 영향 X

 

 

 

🧩 명령어 집합 구조, CISC와 RISC

명령어 집합 (구조)

CPU가 이해할 수 있는 명령어들의 모음

 

- ISA (Instruction Set Architecture)

- CPU의 언어이자 HW가 SW를 어떻게 이해할지에 대한 약속
- 명령어 집합이 다를 때, 같은 소스 코드 컴파일할지라도 나오는 명령어나 어셈블리어 기계어의 종류는 다를 수 있음

-명령어가 달라지면 그에 따라 많은 것들이 달라짐 (명령어 해석 방식, 레지스터 종류와 개수, 파이프라이닝의 용이성 등)

 

 

① CISC (Complex Instruction Set Computer)

복잡하고 다양한 가변 길이 명령어 집합을 활용하는 컴퓨터 (CPU)

• 종류 : x86, x86-64
• (장점) 다양하고 강력한 명령어 활용하므로 상대적으로 적은 수의 명렁어로도 프로그램 실행 가능
• (단점) 명령어 파이프라이닝 불리, 대다수의 복잡한 명령어의 사용 빈도는 낮음
  • 명령어 크기와 실행되기까지의 시간이 일정하지 않음
  • 복잡한 명령어로 인해 명렁어 하나 실행하는 데 여러 클럭 주기 필요

 

② RISC (Reduced Instruction Set Computer)

명령어 종류가 적고, 짧고 규격화된 명령어 사용

• 종류 : ARM
• 단순하고 적은 수의 고정 길이 명령어 집합 이용
• (장점) 명령어 파이프라이닝에 유리, 메모리 접근 최소화(load, store), 레지스터 십분 활용 
• (단점) 명령어 종류가 적어 더 많은 명령어로 프로그램 동작시킴

 

 

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(참고)

https://youtu.be/VO0RQAA7KYc?feature=shared

https://youtu.be/Btsa_U-f26k?feature=shared

https://youtu.be/lJwIERMo_N4?feature=shared