[Operating System] 병렬처리, 파이프라인, 슈퍼스칼라

• 이 글은 '쉽게 배우는 운영체제' 책을 참고하여 작성하였습니다.

병렬처리 개념

CPU의 성능을 높이는 방법은 CPU 클록을 높이거나 캐시의 크기를 높이는 것이지만 쉽지 않은게 현실이다. 따라서 동시에 여러 개의 명령을 처리하여 작업의 능률을 올리는 방식인 병렬 처리가 나타나게 되었다.대표적인 병렬 처리 방법으로 파이프라인 기법과 슈퍼스칼라 기법이 있다.

• 파이프라인 기법 : 명령어를 겹쳐서 실행하는 방법으로 하나의 코어에 여러 개의 스레드를 실행하는 방식
• 슈퍼스칼라 기법 : 파이프라인이 처리할 수 있는 코어를 여러 개 구성하여 복수 개의 명령어가 동시에 실행하는 방식
  

병렬 처리 시 고려 사항

• 상호 의존성이 없어야 병렬 처리가 가능하다.

• 각 단계의 시간을 거의 일정하게 맞춰야 병렬 처리가 원만하게 이뤄진다.
  시간이 다를 경우 오랜 시간이 걸리는 작업에서 병목현상이 나타날 수 있다.

• 전체 작업 시간을 몇 단계로 나눌지 잘 따져봐야 한다. 이론적으로 병렬 처리의 깊이가 깊을수록 동시에 작업할 수 있는 작업의 수가 많아져서 성능이 높아질 것 같지만, 새로운 작업을 불러오는 데 오랜 시간이 걸려 성능이 떨어진다.

  
  

병렬 처리 기법

< CPU에서 명령어가 실행되는 과정 >

• Instruction Fetch (IF) : 다음에 실행할 명령어를 명령어 레지스터 저장
• Instruction Decode (ID) : 명령어를 해석
• Execution (EX) : 해석한 결과로 명령어 실행
• Write Back (WB) : 실행결과 메모리에 저장
  

이 과정 전체를 하나의 스레드라고 하며, 스레드를 이루는 각 단계는 CPU 클록과 연동되어 한 클록에 한 번씩 이뤄진다.

파이프라인 기법

CPU의 사용을 극대화하기 위해 명령어를 겹쳐서 실행하는 방법으로, 하나의 코어에 여러 개의 스레드를 사용하는 것이다.

기존의 방식은 하나의 명령어를 처리하기 위해서는 명령어 처리 4단계를 모두 마치고 다음 명령어를 실행하지만, 파이프라인 기법에서는 명령어 처리의 단계마다 독립적으로 구성하여 각 단계가 쉬지 않고 명령어 처리한다.

파이프라인 위험

• 데이터 위험 : 데이터의 의존성 때문에 발생하는 문제, 파이프라인의 명령어 단계를 지연하여 해결
• 제어 위험 : if or goto 문으로 프로그램 카운터 값을 갑자기 변화시켜 발생하는 위험, 분기되게 되면 현재 동시에 처리되고 있는 명령어 쓸모 없어진다.
• 구조 위험 : 서로 다른 명령어가 똑같은 자원에 접근하려 할 때 발생하는 문제
  

슈퍼스칼라 기법

파이프라인을 처리할 수 있는 코어를 여러 개 구성하여 복수의 명령어가 동시에 실행되도록 하는 방식, 대부분 파이프라인 기법과 비슷하지만 각 단계에서 동시에 실행되는 명령어가 2개라는 점이 다르다. 오늘날의 CPU는 대부분 슈퍼스칼라 기법을 사용하고 있다.

슈퍼파이프라인 기법

파이프라인 기법을 강화한 것이다. 파이프라인 기법에서 한 클록마다 하나 명령어 실행이지만, 슈퍼파이프라인 기법에서는 파이프라인의 각 단계를 세분화하여 한 클록 내에 여러 명령어를 처리할 수 있다.

슈퍼파이프라인 슈퍼스칼라 기법

슈퍼파이프라인 기법을 여러 개의 코어에서 동시에 수행하는 방식

VLIW 기법

앞의 병렬 처리 기법은 하드웨어적인 방법이지만 VLIW(Very Long Instruction Word) 기법은 소프트웨어적으로 병렬 처리하는 방법이다. VLIW 기법에서 동시에 수행할 수 있는 명령어들을 컴파일러가 추출하고 하나의 명령어로 압축하여 실행한다.

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