[OS] 병렬처리

병렬 처리

• 병렬 처리는 동시에 여러 개의 명령을 처리해 CPU의 성능을 향상하는 것을 말합니다.
• 대표적인 컴퓨터의 병렬 처리 기법으로는 파이프라인, 슈퍼스칼라 기법이 있습니다.

 

 

병렬 처리 고려사항

1. 상호 의존성이 없어야 합니다.

- 각 명령이 서로 독립적이고 앞의 결과가 뒤의 명령에 영향을 미치지 않아야 합니다.

 

2. 각 단계의 시간이 거의 일정해야 합니다.

- 각 단계의 시간이 다르다면 병목 현상이 발생합니다.

 

3. 전체 작업시간(명령어)을 몇 단계로 나눌지 고려해야합니다.

- 작업을 N개로 쪼갤 때 N을 병렬 처리의 깊이라고 합니다.

- N이 너무 커지면 각 단계마다 작업을 이동하고 불러오는 데 시간이 많이 걸려 오히려 성능이 떨어집니다.

 

명령어가 실행되는 과정

• CPU 내에서 명령어는 제어장치가 처리합니다. 
• 스레드는 CPU가 처리할 수 있는 작업의 단위입니다.
• 스레드를 이루는 각 단계는 CPU의 한 Clock에 한 번씩 이루어집니다.
• 제어장치는 4가지의 단계를 거쳐서 명령어를 처리합니다.
  • 명령어 패치 (IF) : 다음에 실행할 명령어를 명령어 레지스터에 저장
  • 명령어 해석 (ID) : 명령어를 해석
  • 실행 (EX) : 해석한 결과를 토대로 명령어 실행
  • 쓰기 (WB) : 실행된 결과를 메모리에 저장

 

파이프라인 기법

• 하나의 CPU 코어에 여러 개의 스레드를 사용하는 것입니다.
• 프로세스를 여러 개의 명령어 단계로 분할 후에 각 단계가 쉬지 않고 명령어를 수행할 수 있도록 합니다.
• CPU의 사용을 극대화하기 위해 명령을 겹쳐서 실행하는 방법입니다.
• 데이터의 의존성이 있을 경우, 실행이 지연되는 문제가 발생할 수 있습니다. (데이터 위험)
• 분기를 하는 if문이나 해당 제어문으로 바로 가는 goto문을 사용할 때, Program Counter값을 변경시켜 현재 동시에 처리되고 있는 명령어들이 쓸모가 없어지는 문제가 발생할 수 있습니다. (제어 위험)
• 서로 다른 명령어가 같은 자원에 접근하는 문제가 발생할 수 있습니다. (구조 위험)

 

슈퍼스칼라 기법

• 파이프라인을 처리할 수 있는 여러 개의 CPU 코어에서 복수의 명령어가 동시에 실행되도록 하는 방법입니다.
• 파이프라인 기법과 마찬가지로 처리되는 명령어가 상호 의존성 없이 독립적이어야 합니다.
• 오늘날의 CPU는 대부분 슈퍼스칼라 기법을 사용하고 있습니다.

 

슈퍼파이프라인 기법

• 파이프라인 기법을 강화한 기법으로, 파이프라인의 각 단계를 세분화하여 한 클록 내에 여러 명령어를 처리할 수 있습니다.

 

슈퍼파이프라인 슈퍼스칼라 기법

• 슈퍼 파이프라인 기법을 여러 코어에서 실행한 기법입니다.

 

VLIW (Very Long Instruction Word)

• 소프트웨어적으로 병렬 처리를 하는 방법을 VLIW 라 한다.

 

 

 

 

참고: https://ardor-dev.tistory.com/29 [Ardor IT's Devlog]