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¿Cómo implementa el paralelismo del nivel de instrucción?

2012/5/19
El paralelismo a nivel de instrucción (ILP) explota el hecho de que múltiples instrucciones en un programa se pueden ejecutar simultáneamente, incluso si no se especifican explícitamente como paralelas. Se implementa a través de una combinación de técnicas de hardware y compilador. Aquí hay un desglose:

Técnicas de hardware:

* tuberías: Esta es la técnica más fundamental. Las instrucciones se dividen en etapas (obteniendo, decodificaciones, ejecutar, acceso a la memoria, redacción), y múltiples instrucciones pueden estar en diferentes etapas de la tubería simultáneamente. Esto aumenta el rendimiento de la instrucción, incluso si no reduce la latencia de las instrucciones individuales. Los peligros (dependencias de datos, dependencias de control) pueden limitar la efectividad de la tubería, lo que requiere técnicas como el reenvío y la predicción de las ramas.

* Arquitectura superscalar: Están presentes múltiples unidades de ejecución, lo que permite ejecutar múltiples instrucciones simultáneamente en un solo ciclo de reloj. El procesador programa dinámicamente las instrucciones a diferentes unidades de ejecución en función de sus dependencias y disponibilidad. Esto requiere un hardware de programación de instrucciones sofisticado.

* Palabra de instrucción muy larga (VLIW): El compilador realiza una extensa programación estática, empacando múltiples instrucciones independientes en una sola palabra de instrucción muy larga. Esto simplifica el hardware en comparación con SuperScalar, ya que la programación de instrucciones se realiza completamente en el momento de la compilación. Sin embargo, reduce la flexibilidad y puede conducir a la hinchazón de código si no hay suficientes instrucciones independientes disponibles.

* Ejecución fuera de orden: Las instrucciones se ejecutan en un orden diferente de su orden de programa, siempre que se respeten las dependencias de datos. Esto requiere hardware complejo para rastrear dependencias y administrar el cambio de nombre de registros (para evitar conflictos cuando se reordenan las instrucciones).

* Predicción de rama: Predice el resultado de las ramas (saltos condicionales) para evitar detener la tubería cuando se encuentra una rama. Las predicciones incorrectas pueden conducir a los descargas de la tubería, ciclos de desperdicio. Las técnicas de predicción de ramas avanzadas utilizan algoritmos sofisticados y tablas de historia de rama.

* Ejecución especulativa: Ejecuta instrucciones antes de que sus dependencias se resuelvan por completo (por ejemplo, antes de que se resuelva una rama). Si la especulación es incorrecta, los resultados se descartan. Esta técnica mejora significativamente el rendimiento, pero agrega complejidad y el riesgo de resultados incorrectos si no se manejan con cuidado.

* Análisis de flujo de datos: Hardware rastrea las dependencias de datos entre las instrucciones para garantizar el orden de ejecución correcto incluso con la ejecución fuera de orden.

Técnicas del compilador:

* Programación de instrucciones: El compilador reordera las instrucciones para maximizar la ILP, teniendo en cuenta las dependencias de datos y las restricciones de recursos. Esto es crucial para las arquitecturas Superscalar y VLIW.

* Unrolling de bucle: Replica el cuerpo de un bucle varias veces, aumentando el número de instrucciones disponibles para la ejecución paralela. Esto puede mejorar la ILP pero también puede aumentar el tamaño del código.

* Pipelería de software: Se superpone la ejecución de iteraciones de un bucle, similar a la tubería en el nivel de instrucción. Esto es particularmente efectivo para bucles con dependencias significativas entre iteraciones.

* Asignación de registro: Asigna eficientemente registros a variables para minimizar los derrames de registro (almacenamiento de variables a la memoria) y mejorar la programación de instrucciones.

* Ejecución de predicado: Permite que las instrucciones se ejecuten condicionalmente en función de un predicado booleano. Esto puede mejorar la ILP evitando las ramas en algunos casos.

Desafíos:

* Dependencias de datos: Las instrucciones que dependen de los resultados de las instrucciones anteriores no se pueden ejecutar simultáneamente. Esto limita la cantidad de ILP que se puede lograr.

* Dependencias de control: Las instrucciones que se ejecutan condicionalmente (basadas en ramas) no se pueden ejecutar hasta que se resuelva la condición de la rama. La predicción de la rama ayuda a mitigar esto.

* Restricciones de recursos: Las unidades de ejecución limitadas y otros recursos de hardware pueden limitar el nivel de paralelismo que se puede lograr.

* Complejidad: La implementación de técnicas de ILP requiere una complejidad significativa de hardware y software, aumentando los costos de diseño y el consumo de energía.

En resumen, la implementación de ILP implica una interacción sinérgica entre diseños de hardware sofisticados y optimizaciones avanzadas de compiladores. Las técnicas específicas utilizadas dependen de la arquitectura objetivo y las características del programa que se está ejecutando. Los procesadores modernos emplean una combinación de estas técnicas para lograr altos niveles de paralelismo a nivel de instrucción.

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