CSAPP 4.4 General Principles of Pipelining

📝 상세 정리

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4.4.0 Intro

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• 파이프라인은 웬만한 사람에게 익숙할 것이다.
  • 급식소는 샐러드 / 요리 / 디저트 / 음료등을 나눠서 제공하고
  • 세차장도 물과 비누를 분사하고 / 닦고 / 왁스를 바르고 / 건조하고..
  • 여러 고객이 동시에 시스템을 통과하도록 허용하는 것.
• 파이프라이닝의 핵심 특징은 시스템의 처리량을 증가시킨다는 것
  • 하지만 개별 고객에 대한 서비스시간 (대기시간)은 약간 증가될 수도 있다.

4.4.1 Computational Pipelines

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• 컴퓨터로 오면, 고객은 명령어이고, 각 단계는 명령어 실행의 일부 부분이다.
• 현대 논리 설계에서는 회로 지연을 피코초 ($ps, 10^{-12}$초) 단위로 측정한다.
• 처리량은 초당 기가 명령어 단위로 표현된다.
• 명령어를 끝까지 수행하는데 필요한 총 시간을 지연(latency)라고 하고, 이는 처리량의 역수이다.

4.4.2 A Detailed Look at Pipleline Operation

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• 중간에 레지스터층을 둬서, 입력과 출력을 적당히 저장해서 파이프라이닝을 할 수 있겠다.
• 클럭이 느려지는건 문제가 없겠지만,너무 빨라지면 레지스터 입력값들이 유효하지 않아질 수 있다.

4.4.3 Limitations of Pipelining

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• 하지만 3단계로 쪼갠다고 3배 빨라지지는 않는다, 불행히도.
• Nonuniform Partitioning
  • 아무래도, 세 단계로 쪼갰을때 각 단계를 1/3씩은 못맞추고, 300이었던게 50, 150정도로 쪼개지겠지.
  • 근데 그러면 클럭을 작동할 수 있는 속도는 가장 느린 단계에 맞춰진다.
    • 300이 50 / 100 / 150으로 쪼개진다면 150에 맞춰지고, 중간 레지스터 저장까지 생각하면 170ps정도밖에 성능 개선이 안일어난다.
• Diminishing Returns of Deep Pipelining
  • 그러면 많이 쪼개면 좋은걸까?
    • 그러면, 레지스터 저장 오버헤드가 커진다.
  • 잘 쪼개서 300ps를 50ps 6단계로 쪼갰다고 생각해보자. 이때 레지스터에 의해 50 + 20 = 70ps정도로 된다. 전체 지연에서 28%나 레지스터 지연이 차지한다.
  • 현대 프로세서에서는 그래도 클럭 속도를 극대화하기 위해 15단계 이상의 깊은 파이프라인을 사용하긴 한다.

4.4.4 Pipelining a System with Feedback

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• 우리는 지금까지 모든 명령어가 독립적이라고 가정했다.
  • 하지만 연속된 명령어 간에 종속성이 존재할 수 있다.
• 하지만 파이프라이닝을 진행하면, 앞의 결과가 업데이트 되지 않았는데 뒤에서 쓰려고 하는 상황이 발생할 수 있다.
  • 이런 피드백 효과를 적절히 처리해서, 시스템 동작이 변경되지 않도록 조심해야할 것이다.

❔질문 사항

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🔗 참고 자료

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