최근 수정 시각 : 2024-11-03 21:37:48

비순차적 실행


1. 개요2. 원리3. 기법
3.1. Scoreboarding3.2. Tomasulo 알고리즘
4. 기타5. 관련 문서

1. 개요

Out-of-Order Execution, OoOE
컴퓨터의 명령어 처리 기법 중 하나

일반적인 순차적 파이프라인에서는 어떤 명령어를 처리할 때 forwarding 등으로 데이터 의존성이 해결되지 않으면 앞선 명령어들의 처리에서 필요한 값이 나올 때까지 파이프라인을 중단(stall)하게 되고, 이에 따라 그 다음의 명령어들은 처리되지 못하고 대기하게 됨으로써 효율성이 떨어지게 된다. 이를 해결하기 위해 컴파일러 수준에서 파이프라인 중단을 최소화하도록 명령어를 배치하는 최적화 등을 수행하기도 하였지만, ISA의 각 구현마다 파이프라인 구조가 다르고 또한 컴파일 시간에 모든 의존성을 알 수 없는 등의 여러 한계점이 많았다. 그래서 등장한 것이 명령어를 프로그램에 나타난 순서대로 처리하지 않는 비순차적 실행 기법이다.

2. 원리

비순차적 실행 기법에서는 명령어 해석(Decode) 단계를 발행(Issue)과 피연산자 읽기(Read Operand)의 두 단계로 나눈다. 명령어들은 발행 단계는 순차적으로 거치게 되지만, 피연산자 읽기(Read Operand) 단계에서는 의존성이 해결될 때까지 진입하지 못하고 기다려야 하고(stall), 이 틈을 타서 뒤쪽의 명령어들이 먼저 순서를 바꾸어 실행될 수 있다.
비순차적 실행 기법의 이점은 다음과 같다.
  • 컴파일러가 ISA 구현의 세부사항을 몰라도 효율적으로 실행하게끔 하는 것이 가능하다. 이 때문에, 한 ISA에 대해 각 구현마다 최적화된 바이너리를 제공할 필요가 없어졌다.
  • 컴파일 시간에 의존성을 알 수 없는 경우도 효율적으로 실행할 수 있다.
  • 캐시 미스와 같은 예측 불가능한 지연이 있더라도, 그 동안 다른 명령어들을 처리하고 있음으로써 대응이 가능하다.
하지만 비순차적 실행은 설계가 복잡해진다는 단점이 역시 가진다. 예컨대, 순차적 실행에서는 RAW hazard[1]만 고려하면 되었지만, 비순차적 실행에서는 WAR[2]/WAW[3] hazard까지 고려해야 한다. 이외에도 비순차적으로 실행된 명령어들은 비순차적으로 완료되게 되는데, 이 때문에 예외 발생 시에 정확한 지점에서 재시작하게 해야 하므로 추가적인 복잡성이 나타난다.

3. 기법

3.1. Scoreboarding

CDC 6600에서 도입한 방식이다. 의존성 관리를 위해 중앙집중식의 Scoreboard를 이용하는 것이 특징이다. 동작 방식은 Scoreboarding 참고.

3.2. Tomasulo 알고리즘

IBM 360/91에서 도입한 방식이다. 여러 기능 유닛(Functional Unit)들에 분산된 Reservation Station을 통해 레지스터 재명명(register renaming)을 이용하여 WAR/WAW hazard를 해결한다.

4. 기타

AMD의 모바일 프로세서인 밥캣과 재규어, 삼성의 몽구스, 테슬라의 도조 등을 개발한 에릭 퀸넬 박사는 하이퍼스레딩 같은 SMT를 가난한 자의 비순차적 실행이라고 분류했다.#

5. 관련 문서


[1] Read After Write. 같은 대상에 대해 쓰는 명령어와 읽는 명령어가 순서대로 있다고 해 보자. 순차적 파이프라인에서는 레지스터에 쓰는 단계(Write Back)가 레지스터에서 계산에 필요한 값을 가져오는 명령어 해석 단계(Decode) 보다 나중에 나오므로, 명령어들을 서로 '겹쳐서' 실행할 때 어떤 명령어의 실행에 필요한 값이 이전 명령어에서 계산되고 그것이 아직 레지스터에 쓰이지 않았다면 문제가 발생한다.[2] Write After Read. 이번에는 같은 대상에 대해 읽는 명령어와 쓰는 명령어가 순서대로 있다고 해 보자. 순차적 파이프라인에서는 명령어가 겹쳐서 실행되어도 어차피 쓰기 단계가 읽기 단계보다 나중에 실행되므로 문제가 되지 않는다. 하지만 비순차적 파이프라인에서는 두 명령어의 순서가 바뀔 수 있고, 만약 쓰는 명령어가 이전에 수행되었다면 쓰기 전의 값을 읽어와야 하는 읽는 명령어 입장에서는 문제가 생긴다.[3] Write After Write. 만약 같은 대상에 대한 두 쓰기 명령어가 있는데 순서가 바뀌면, 레지스터에 남아 있어야 하는 값이 달라진다.