07. 병렬 처리

 

📍병렬 처리 parallel processing 

: 동시에 여러 개의 명령을 처리하여 작업의 능률을 올리는 방식 

➡️ CPU의 성능을 향상하기 위해 CPU의 핵심 기능을 가진 코어를 여러개 만들거나, 동시에 실행 가능한 명령의 개수를 늘리는 방법을 사용하는데 그 일환.

- 여러 개의 명령을 동시에 처리하는 병렬 처리는 코어가 여러 개인 CPU는 물론이고 코어가 하나인 CPU에서도 작동 가능함 

 

 

* 스레드 thread

: CPU가 처리할 수 있는 작업의 단위

- 명령어를 가져와 해석한 후 실행하고 결과를 저장하는 과정 

- 스레드를 이루는 각 단계는 CPU의 클록과 연동되어 한 클록에 한 번씩 이루어진다 

- CPU 멀티 스레드 multi-thread :  여러 개의 스레드를 동시에 처리하는 방법  

 

 

📍CPU에서 명령어가 실행되는 과정 

1. 명령어 패치 Instruction Fetch, IF : 다음에 실행할 명령어를 명령어 레지스터에 저장

2. 명령어 해석 Instruction Decode, ID : 명령어를 해석

3. 실행 Execution EX : 해석한 결과를 토대로 명령어를 실행

4. 쓰기 Write Back, WB : 실행된 결과를 메모리에 저장 

 

 

 

◼️ 파이프라인 pipeline 기법 

: CPU의 사용을 극대화하기 위해 명령을 겹쳐서 실행하는 방식으로 하나의 코어에 여러 개의 스레드 thread를 이용

- 명령어를 여러 개의 단계로 분할한 후, 각 단계를 동시에 처리하는 하드웨어를 독립적으로 구성함 

= 하이퍼스레드 (인텔 계열의 CPU에서 부르는 명칭) 

: CPU에 여러 개의 작업을 동시에 진행할 수 있는 부가 장치를 만들어 하나의 코어에서도 여러 개의 작업(스레드)이 동시에 이루어지게 하는 기법 

 

 

• 파이프 라인의 위험 

1) 데이터 위험 data hazard : 데이터의 의존성 때문에 발생하는 문제 

➡️ 데이터의 위험은 파이프라인의 명령어 단계를 지연하여 해결

 

2) 제어 위험 control hazard : 프로그램 카운터 값을 갑자기 변화시켜 발생하는 위험 (if문 goto문 등 에서 발생)

- 분기예측이나 분기 지연 방법으로 해결

 

3) 구조 위험 structural hazard : 서로 다른 명령어가 같은 자원에 접근하려 할 때 발생하는 문제 

: 구조위험은 해결하기 어렵다고 알려져 있음 

 

◼️ 슈퍼스칼라 super-scalar 기법

: 파이프라인을 처리할 수 있는 여러 개의 코어를 사용하여 복수의 명령어가 동시에 실행되도록하는  기법 

- 듀얼 CPU는 한 CPU에 작업을 처리하는 코어가 2개가 있고, 슈퍼스칼라 기법을 이용하여 2개의 작업을 동시에 처리할 수 있음 

- 파이프라인 기법과 거의 동일하지만 코어를 2개 구성하여 각 단계에서 동시에 실행되는 명령어가 2개라는 점이 다름 

- 처리되는 명렁어가 상호 의존성 없이 독립적이어야 하며, 이를 위한 처리도 컴파일러에서 이루어지도록 조정해야 함 

 

◼️ 슈퍼파이프라인 super-pipeline 기법

: 파이프라인의 각 단계를 세분하여 한 클록 내에 여러 명령어를 처리 ( 파이프라인 기법을 강화한 것) 

- 한 클록 내에 여러 명령어를 실해암면 다음 명령어가 빠른 시간 안에 시작될 수 있어 병렬 처리 능력이 높아짐 

- 크레이 슈퍼컴퓨터 cray super computer의 CPU에서 사용됨 

 

◼️ 슈퍼파이프라인 슈퍼스칼라 기법 super-popelined super-scalar 

: 앞의 병렬 처리 기법을 모두 합한것 

- 슈퍼 파이프라인 기법을 여러 개의 코어에서 동시에 수행 

 

 

◼️ VLIW very long instruction word 

: CPU가 병렬 처리를 지원하지 않을 경우 소프트웨어적으로 병렬 처리를 하는 방법 

- 동시에 수행할 수 있는 명령어들을 컴파일러가 추출하고, 하나의 명령어로 압축하여 실행함 

- CPU가 병렬 처리를 지원하지 않을 때 사용하는 방법이므로 앞의 병렬 처리 기법들에 비해 동시에 처리하는 명령어의 개수가 적다 -

- 병렬 처리가 컴파일 시 이루어짐 ( 앞의 다른 병렬처리는 명령어 실행시 병렬 처리가 이루어짐 )

 

📍병렬 처리 시 고려 사항 

- 상호 의존성이 없어야 병렬처리가 가능함 

- 각 단계의 시간을 거의 일정하게 맞춰야 병렬 처리가 원만하게 이루어짐

- 적절한 병렬처리의 깊이 depth of parallel processing 

: 병렬 처리에서 작업을 N개로 쪼갰을 때 N을 병렬처리의 깊이라고 함