슈퍼스칼라, 비순차 실행 (OoO)

출제 빈도: ★★★★☆ | 기본

답안.

Ⅰ. 개요

슈퍼스칼라(Superscalar)란 한 클럭 사이클에 다수의 명령어를 동시에 발행(Issue)하여 IPC(Instructions Per Cycle)를 1 이상으로 높이는 프로세서 구조이다. 비순차 실행(Out-of-Order Execution, OoO)은 명령어 간 의존성이 없는 경우 프로그램 순서와 무관하게 실행하여 파이프라인 공백(Bubble)을 최소화하는 기법이다.

Ⅱ. 슈퍼스칼라 구조

Fetch → Decode → Rename → Issue → Execute → Commit
  (다중)  (다중)   (RAT)   (RS)    (FU)     (ROB)

RAT: Register Alias Table (레지스터 재명명)
RS : Reservation Station (실행 대기)
FU : Functional Unit (ALU, FPU, Load/Store)
ROB: Reorder Buffer (순서 복원)

슈퍼스칼라 프로세서는 클럭당 4~8개 명령어를 디코드하고, 실행 유닛(ALU, FPU, 분기, 로드/스토어)에 분배한다. 비순차 실행을 위해 레지스터 재명명(Register Renaming)으로 WAW/WAR 해저드를 제거하고, ROB(Reorder Buffer)로 커밋 순서를 보장한다.

Ⅲ. 투기적 실행

분기 예측기(Branch Predictor)를 통해 분기 결과를 미리 예측하고 해당 경로를 미리 실행한다. 예측이 맞으면 결과를 커밋하고, 틀리면 롤백(Flush)한다. 현대 CPU는 TAGE(Tagged Geometric) 등 정교한 예측기로 97%+ 적중률을 달성한다. Spectre/Meltdown은 이 투기적 실행의 부채널 취약점이다.

Ⅳ. 성능 한계

ILP(Instruction-Level Parallelism)의 이론적 한계(보통 2~5 IPC)에 의해 슈퍼스칼라 확장에는 수확 체감이 존재한다. 이에 따라 SMT(Simultaneous Multi-Threading, 하이퍼스레딩)로 스레드 수준 병렬성을 추가 활용하는 전략이 병행된다.

관련: 파이프라인(01번) · 병렬/멀티코어(05번) · 폴락의 법칙(08번)