Ch02. 컴퓨터 구조 및 성능 개선 _04) 병렬 처리

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병렬성의 개념

• 병렬 처리
  • 여러 명령을 동시에 처리하여 업무 효율성을 높이는 방식
• 볶음밥 조리 예시

• 볶음밥 조리 병렬처리

• 배관 기술
  • 코어다중 스레드를 사용하는 방법
• 수퍼스칼라 기법
  • 듀얼 코어 CPU를 사용하여 두 개의 작업을 동시에 처리하는 방식

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병렬 처리 고려 사항

• 병렬 처리는 상호 종속성이 없는 경우에만 가능합니다.
  
  
  • 각 명령은 서로 독립적이며 첫 번째 명령의 결과가 다음 명령에 영향을 미치지 않아야 합니다.
    
    
• 병렬성은 각 단계의 시간이 일정할 때 달성됩니다.
  
  
  • 장기 실행 작업은 일반적으로 진행 속도를 늦추고 전체 작업 시간을 늘리기 때문에 단계 간의 시간 차이가 크면 동시성은 덜 효과적입니다.
    
    

• 총 작업 시간을 몇 단계로 나눌지 신중하게 생각하는 것이 중요합니다.
  
  
  • Depth of Parallelism N은 동시에 처리할 수 있는 작업의 수를 의미합니다.
    
    
  • 이론적으로 N이 증가하면 동시에 수행할 수 있는 작업 수가 증가하여 성능이 향상됩니다.
    
    

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병렬 처리 기술

• CPU가 명령을 실행하는 과정
  1. Instruction Fetch(IF): 다음에 실행할 명령을 명령 레지스터에 저장합니다.
     
     
  2. 명령 해독(ID): 명령 해석
  3. 실행(EX): 분석 결과를 기반으로 명령어 실행
  4. Write Back(WB): 실행 결과를 메모리에 저장

• 배관 기술
  • CPU 사용률을 최대화하기 위해 명령을 중첩하는 방법

• 파이프라인의 위험
  • 데이터 위험
    • 데이터 종속성으로 인한 문제
    • 데이터 A가 필요한 두 번째 명령은 이전 명령이 완료될 때까지 동시에 실행되지 않아야 합니다.
      
      
    • 데이터 위험은 파이프라인의 지시 단계를 지연시켜 해결됩니다.
      
      
  • 통제 위험
    • 프로그램 카운터 값의 급격한 변화로 인한 위험 (cf.: 프로그램 카운터는 다음에 실행할 명령의 주소를 저장합니다)
    • 첫 번째 명령이 실행되면 goto 문입니다.
      
      따라서 다음 문이 아닌 다른 문으로 전환하면 현재 동시에 처리되고 있는 명령이 무용지물이 됩니다.
      
      
    • 제어 위험은 분기 예측 또는 분기 지연 기술로 해결됩니다.
      
      
  • 구조적 위험
    • 다른 명령이 동일한 리소스에 액세스하려고 할 때 발생하는 문제
    • 명령어 A가 RX 레지스터를 사용하고 병렬화된 명령어 B도 RX 레지스터를 사용하면 충돌이 발생합니다.
      
      
    • 구조적 위험은 관리하기 어렵다는 것은 잘 알려져 있습니다.
      
      

• 수퍼스칼라 기법
  • 여러 명령어가 동시에 실행되도록 파이프라인을 처리할 수 있는 여러 코어를 구성하는 방법입니다.
    
    
  • 이것의 대부분은 두 개의 코어로 구성되어 각 단계가 동시에 두 개의 명령을 실행한다는 점을 제외하면 파이프라인과 동일합니다.
    
    

• 슈퍼 파이프라인 기술
  • 파이프라인의 각 단계를 세분화하여 한 주기에서 여러 명령을 처리합니다.
    
    
  • 한 주기 내에서 여러 명령을 실행하면 다음 명령을 짧은 시간 내에 시작할 수 있으므로 병렬 처리가 증가합니다.
    
    

• 슈퍼 파이프라인 슈퍼 스칼라 기법
  • 여러 코어에서 동시에 슈퍼파이프라인 기술을 실행하는 방법

• VLIW 기술(Very Long Instruction Word)
  • CPU가 병렬 처리를 지원하지 않을 때 소프트웨어에서 병렬 처리를 수행하는 방법
  • 컴파일러는 동시에 실행할 수 있는 명령문을 추출하여 하나의 명령문으로 압축하여 실행합니다.
    
    
  • 이 방법은 CPU가 병렬 처리를 지원하지 않을 때 사용하기 때문에 이전의 병렬 처리 기술에 비해 동시에 처리되는 명령의 수가 적습니다.
    
    
  • 병렬 처리는 컴파일 타임에 발생합니다.
    
    

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@Advanced // 무어의 법칙과 암달의 법칙

• 무어의 법칙
  • CPU 속도 24매 달 22배 빨라지는 이유
  • 초기 CPU에만 적용되며 지금은 적용되지 않음
• 암달의 법칙
  • 컴퓨터 시스템의 한 부분을 개선하는 것과 시스템 전체에 미치는 영향 사이의 관계를 나타내는 법칙
  • 이 법칙에 따르면 주변기기를 개선하지 않고 CPU 속도를 2GHz에서 4GHz로 높인다고 해서 컴퓨터 성능이 2배가 되는 것은 아니다.