Szuperskalár processzor: definíció, működés és előnyök
Szuperskalár processzor: áttekintés az utasításszintű párhuzamosításról, működésről és előnyökről; hogyan növeli a teljesítményt és mik a gyakorlati alkalmazások.
A szuperskalár CPU-tervezés az párhuzamos számítás olyan formája, pontosabban utasításszintű párhuzamosítást megvalósító megközelítése, amely lehetővé teszi, hogy egyetlen CPU-mag egy órajelen belül több utasítást hajtson végre. Gyakorlati értelemben ez azt jelenti, hogy a processzor több, egymástól független utasítást indít el és futtat párhuzamosan a duplikált funkcionális egységeken — például több aritmetikai logikai egység (ALU), lebegőpontos egység (FPU), vagy szorzó jelenlétével — az utasítás-diszpécselés segítségével.
Működés, alapfogalmak
A szuperskalár működésének központi elemei:
- utasítás-felvétel (fetch): az utasítások sorozata egy rendezett utasításlistából (programkód) származik;
- dekódolás és függőség-felismerés: a CPU hardvere elemzi az utasítások közti adat- és vezérlési függőségeket, hogy eldöntse, melyek indíthatók egyszerre;
- utasításkiosztás (issue): az egyidejűleg végrehajtható utasításokat az utasításdiszpécser elküldi a rendelkezésre álló funkcionális egységekre;
- végrehajtás (execute): a funkcionális egységek elvégzik az adott műveleteket;
- commit/retire: a végrehajtott utasítások eredményeit sorrendileg vagy biztonságosan rögzítik a regiszterekben és a memóriában.
A legtöbb modern szuperskalár CPU pipeline-olt is, vagyis az egyes végrehajtási lépések (fetch, decode, execute, write-back stb.) egymásra fedve működnek a nagyobb órajelkihasználás érdekében. Elméletileg azonban létezhet pipeline nélküli szuperskalár, illetve pipeline-os, de nem szuperskalár architektúra is.
Mi különbözteti meg a skalár-, vektor- és szuperskalár processzorokat?
A skalárprocesszorok utasításonként általában egy vagy két adatelemet dolgoznak fel, míg a vektorprocesszorok egy utasítással egyszerre sok adatelemet (tömböket) kezelnek. A szuperskalár architektúra e kettő kombinációjának tekinthető:
- Minden utasítás tipikusan egy logikai adatelemet dolgoz fel;
- A CPU-magban azonban több, párhuzamosan működő, duplikált funkcionális egység található, így több utasítás egyszerre több, független adatelemet kezelhet.
Fontos belső elemek és technikák
- Utasításdiszpécser (issue logic): olvassa az utasításokat és dönt arról, melyek indíthatók párhuzamosan;
- Függőségkezelés: adatfüggőségek (RAW, WAR, WAW), vezérlési (branch) és strukturális függőségek felismerése és kezelése;
- Regiszter-átnevezés (register renaming): álcázza a kötések egy részét, hogy csökkentse a mesterséges függőségeket (WAW, WAR);
- Out-of-order végrehajtás és reorder buffer: az utasítások nem feltétlenül sorrendben hajtódnak végre, de a commit sorrendiségét megőrzik;
- Tomasulo, reservation stations, scoreboard: dinamikus kiosztó és ütemező mechanizmusok a függőségek és erőforrások kezelésére;
- Branch prediction: elágazások előrejelzése a pipeline telítettségének fenntartása miatt;
- Instruction fetch/width: hogy óraciklusonként mennyi utasítást képes betölteni és dekódolni a processzor (fetch/decode/issue width) — a nagyobb szélesség elméletben több párhuzamosságot tesz lehetővé.
Kihívások és korlátok
Bár a szuperskalár tervezés növeli az utasítások egy órajelciklus alatti számát (IPC — instructions per cycle), több korlát is csökkentheti a hasznos párhuzamosságot:
- Adatfüggőségek: ha egy későbbi utasítás egy korábbi eredményre vár, a párhuzamosítás korlátozott;
- Vezérlési függőségek és branch mispredictions: hibás elágazás-előrejelzés esetén a spekulatívan végrehajtott utasításokat vissza kell vonni, ez idő- és energiapazarlás;
- Memória-latencia: hosszú memóriamegállások (cache miss) lefoglalják az erőforrásokat és csökkentik a párhuzamosítható munkát;
- Strukturális korlátok: nincs elég funkcionális egység vagy port egyidejűleg; a hardver költsége, mérete és fogyasztása növekszik a szélesebb duplikációval;
- Párhuzamosság felső határa: csak a program belső párhuzamossága (ILP) határozza meg, mennyi utasítást lehet ténylegesen párhuzamosítani — egy adott programon belül ez gyakran korlátozott.
Előnyök
- nagyobb utasításonkénti áteresztőképesség (magasabb IPC), jobb CPU-hatékonyság;
- a pipelininggel kombinálva jelentős órajelenkénti teljesítménynövekedés érhető el;
- rugalmasabb, dinamikus erőforrás-kihasználás a különböző programozási mintázatokhoz;
- általános célú teljesítményjavulás, anélkül hogy a programozóknak speciális vektorutasításokat kellene használniuk.
Gyakorlati megjegyzések és történeti áttekintés
A szuperskalár megközelítést már több évtizede alkalmazzák a mikroprocesszorokban; az elmúlt évtizedek során gyakorivá vált, hogy az általános célú processzorok legalább néhányutas (többutas) szuperskalár kialakítással rendelkeznek. Egy tipikus, asztali vagy mobil CPU ma több ALU-t, FPU-t és esetenként SIMD egységet is tartalmazhat — a konkrét szám gyártótól és tervezéstől függ. A tervezés során a cél az, hogy az utasításelosztó pontosságát és intelligenciáját növelve minél folyamatosabban legyenek lefoglalva a funkcionális egységek; ha a diszpécser nem tud elegendő utasítást ütemezni, a szuperskalár előnyök nem realizálódnak és a CPU teljesítménye alacsonyabb lesz.
Összehasonlítás más megközelítésekkel
A szuperskalár technika különbözik más párhuzamosítási módszerektől:
- VLIW (Very Long Instruction Word): a párhuzamosságot a fordító határozza meg és kódolja a hosszú utasításokba, míg a szuperskalár hardver dinamikusan dönt a párhuzamosságról;
- SIMD: adat-paralelizmus egy utasításon belül (egyszerre sok adat), míg a szuperskalár több utasítást futtat párhuzamosan;
- SMT (Simultaneous Multithreading): több szál utasításainak egyidejű futtatása ugyanazon a magon; ez más megközelítés a funkcionális egységek teljesebb kihasználására.
Összegzés
A szuperskalár architektúra a modern CPU-tervezés egyik alapvető technikája, amely lehetővé teszi több utasítás párhuzamos végrehajtását egyetlen magon belül. Működése a függőségek felismerésén, intelligens utasítás-diszpécselésen és különféle mikrotechnikai megoldásokon (pl. regiszter-átnevezés, out-of-order végrehajtás, branch prediction) alapul. Bár jelentős teljesítményelőnyt ad, hatékonyságát programfüggőségek, memóriálatenciák és hardveres korlátok is behatárolhatják.
Egyszerű szuperskalár csővezeték. Egyszerre két utasítás lekérdezésével és elküldésével ciklusonként legfeljebb két utasítás fejezhető be.
Egy CRAY T3e párhuzamos számítógép processzorlapja négy szuperskalár Alpha processzorral
Korlátozások
A szuperskalár CPU-k tervezésénél a teljesítmény javulását két dolog korlátozza:
- A beépített párhuzamosság szintje az utasításlistában
- A diszpécser és az adatfüggőség-ellenőrzés összetettsége és időigénye.
Még ha végtelenül gyors függőségi ellenőrzés is van egy normál szuperskalár CPU-n belül, ha maga az utasításlista sok függőséget tartalmaz, ez szintén korlátozza a lehetséges teljesítményjavulást, így a kódban beépített párhuzamosság mennyisége egy másik korlátot jelent.
Nem számít, milyen gyors a diszpécser sebessége, van egy gyakorlati korlátja annak, hogy hány utasítást lehet egyszerre feladni. Bár a hardveres fejlődés lehetővé teszi, hogy CPU-magonként több funkcionális egység (pl. ALU) legyen, az utasításfüggőségek ellenőrzésének problémája olyan mértékben növekszik, hogy az elérhető szuperskaláris diszpécserhatár némileg kicsi. -- Valószínűleg öt-hat egyidejűleg feladott utasítás nagyságrendje.
Alternatívák
- A szimultán többszálú futás: gyakran SMT-ként rövidítik, a szuperskalár CPU-k általános sebességének növelésére szolgáló technika. Az SMT lehetővé teszi több független végrehajtószál használatát a modern szuperskalár processzoron belül rendelkezésre álló erőforrások jobb kihasználása érdekében.
- Többmagos processzorok: A szuperskalár processzorok abban különböznek a többmagos processzoroktól, hogy a több redundáns funkcionális egység nem teljes processzor. Egyetlen szuperskalár processzor olyan fejlett funkcionális egységekből áll, mint az ALU, az egész szám szorzó, az egész szám átváltó, a lebegőpontos egység (FPU) stb. Minden funkcionális egységnek több változata is lehet, hogy lehetővé tegye sok utasítás párhuzamos végrehajtását. Ez eltér a többmagos processzoroktól, amelyek több szálból származó utasításokat dolgoznak fel egyidejűleg, magonként egy szál.
- Pipelines processzorok: A szuperskalár processzorok szintén különböznek a pipelines CPU-tól, ahol a több utasítás egyidejűleg a végrehajtás különböző szakaszaiban lehet.
A különböző alternatív technikák nem zárják ki egymást - kombinálhatók (és gyakran kombinálják is) egyetlen processzorban, így lehetséges olyan többmagos CPU-t tervezni, ahol minden egyes mag egy független processzor több párhuzamos szuperskaláris pipelines processzorral. Egyes többmagos processzorok vektoros képességgel is rendelkeznek.
Kapcsolódó oldalak
- Párhuzamos számítástechnika
- Utasításszintű párhuzamosság
- Egyidejű többszálú futás (SMT)
- Többmagos processzorok
Kérdések és válaszok
K: Mi az a szuperskalár technológia?
V: A szuperskalár technológia az alapvető párhuzamos számítástechnika egy olyan formája, amely lehetővé teszi, hogy egynél több utasítás feldolgozása történjen minden egyes órajelciklusban több végrehajtó egység egyidejű használatával.
K: Hogyan működik a szuperskalár technológia?
V: A szuperskalár technológia során az utasítások sorrendben érkeznek a processzorba, futás közben keresik az adatfüggőségeket, és minden egyes órajelciklusban egynél több utasítást töltenek be.
K: Mi a különbség a skaláris és a vektoros processzorok között?
V: Egy skalár processzoron az utasítások általában egy vagy két adatelemmel dolgoznak egyszerre, míg egy vektorprocesszoron az utasítások általában sok adatelemmel dolgoznak egyszerre. A szuperskalár processzor a kettő keveréke, mivel minden utasítás egy adatelemet dolgoz fel, de egyszerre több utasítás is fut, így a processzor egyszerre sok adatelemet dolgoz fel.
K: Milyen szerepet játszik egy pontos utasításelosztó egy szuperskalár processzorban?
V: A pontos utasításelosztó nagyon fontos egy szuperskalár processzor számára, mivel biztosítja, hogy a végrehajtó egységek mindig olyan munkával legyenek elfoglalva, amelyre valószínűleg szükség lesz. Ha az utasítás-diszpatcher nem pontos, akkor a munka egy részét esetleg el kell dobni, ami miatt a processzor nem lesz gyorsabb, mint egy skálázó processzor.
K: Melyik évben vált minden normál CPU szuperskalárissá?
V: Az összes normál CPU 2008-ban vált szuperskalárissá.
K: Hány ALU, FPU és SIMD egység lehet egy normál CPU-ban?
V: Egy normál CPU-n legfeljebb 4 ALU, 2 FPU és 2 SIMD egység lehet.
Keres