메모리 장벽이란 무엇입니까?

역사적으로 CPU는 완벽하게 순차적인 기계였습니다. 이것은 매우 논리적이고 이해하기 쉽지만 성능 문제가 될 수 있습니다. 수년 동안 실리콘 웨이퍼에서 가능한 한 많은 성능을 추출하기 위해 CPU 설계를 독창적으로 조정했습니다. 하지만 더 흥미로운 것 중 하나는 비순차적 실행입니다. 비순차적 실행 CPU에서는 명령이 반드시 발행된 순서대로 실행될 필요가 없습니다.

질서정연

순차 CPU가 실행하는 주요 성능 문제는 파이프라인 스톨이라고 합니다. 이는 명령어가 일부 메모리에 의존하지만 해당 메모리를 레지스터에서 직접 사용할 수 없을 때 발생합니다. 이 경우 CPU는 메모리에서 해당 값을 찾아야 합니다. CPU 캐시는 가장 빠른 메모리 계층이므로 먼저 확인합니다. 값이 없으면 시스템 RAM을 확인합니다. 이 시간 동안 CPU는 유휴 상태여야 합니다. 메모리 종속 명령이 다음 명령 전에 순서대로 완료되어야 하기 때문입니다.

파이프라인 실속의 성능 영향은 그렇게 나쁘지 않을 수 있지만 상대적으로 심각할 수도 있습니다. 예를 들어 L1 캐시는 일반적으로 5 CPU 주기 정도의 결과를 반환할 수 있습니다. L2 캐시는 20주기, L3는 약 200주기, 시스템 RAM은 약 400주기가 소요될 수 있습니다. CPU가 약 5GHz, 즉 초당 50억 클록 사이클에서 작동할 수 있다는 점을 감안할 때 400 사이클도 나쁘지 않습니다(0.000008%). 그러나 캐시 계층 아래의 데이터를 참조해야 하는 명령이 많은 경우 누적 효과로 인해 눈에 띄게 속도가 느려질 수 있습니다.

잘못된 실행 및 레지스터 이름 바꾸기

비순차적 실행은 스케줄러가 대기열의 명령을 재정렬할 수 있도록 하는 기술입니다. 이 재정렬을 통해 다른 스레드보다 특정 스레드의 우선 순위를 지정할 수 있습니다. 또한 아직 충족되지 않은 데이터 종속성이 있는 경우 대기열에서 명령을 다시 밀어낼 수도 있습니다. 이를 통해 파이프라인 중단을 최대한 방지하여 유휴 주기를 최소화합니다.

비순차 실행에는 레지스터 이름 바꾸기라는 기능이 필요합니다. CPU는 단일 주기 내에서 레지스터에 저장된 데이터에 액세스할 수 있습니다. 레지스터는 읽고 쓰는 데이터를 저장하는 데 사용됩니다. 그러나 일반적으로 컴퓨터가 CPU 주기에 최적화된 잘못된 순서가 아니라 논리적 순서로 발생하는 모든 일을 볼 수 있도록 하는 것이 중요합니다. 이를 가능하게 하기 위해 CPU에는 CPU 아키텍처에서 요구하는 것보다 더 많은 논리 레지스터가 있습니다.

기록해야 하지만 아직 완료되지 않은 "이전" 명령이 있는 데이터는 홀딩 레지스터에 배치됩니다. 이 데이터는 주문 자체가 정렬되면 다른 레지스터로 전송되지 않습니다. 대신, 홀딩 레지스터의 이름이 있어야 하는 레지스터의 이름으로 변경됩니다. 이는 메인 코스 전에 디저트를 준비한 다음 제공할 시간이 될 때까지 디저트를 냉장고에 보관하는 것과 다소 유사합니다.

이러한 논리 레지스터는 완전히 주소가 지정되지 않습니다. CPU는 현재 아키텍처 레지스터의 이름을 공유하는 논리 레지스터에만 주소를 지정할 수 있습니다. 즉, CPU는 다른 재정렬된 명령이 논리적 홀딩 레지스터의 데이터에 의존하는 경우 해당 특정 경험적 ​​시간에 아키텍처 레지스터의 "오래된" 데이터 대신 사용할 수 있음을 충분히 알고 있습니다.

메모리 배리어

membar, 메모리 펜스 또는 펜스 명령어라고도 하는 메모리 배리어는 컴퓨터 코드의 명령어입니다. 이를 통해 프로그래머는 메모리 장벽 전후에 발생한 메모리 작업에 대한 순서 제약을 적용할 수 있습니다. 메모리 배리어는 모든 명령이 배리어 뒤의 명령보다 먼저 처리되도록 CPU 스케줄러에 지시합니다. 이는 중요한 작업이 올바른 순서로 완료되도록 하기 위해 수행됩니다.

일반적으로 최신 컴퓨터에서는 이 작업이 필요하지 않습니다. 잘못된 실행 및 레지스트리 이름 변경은 잘 확립되고 성숙한 분야입니다. 그럼에도 불구하고 메모리 배리어는 오래되고 덜 정교하며 비순차적 프로세서에 도움이 되거나 중요한 메모리 작업에 사용될 수 있습니다.

메모리 장벽은 약간의 성능 저하를 가져올 수 있습니다. 이는 CPU 스케줄러가 명령 흐름의 특정 부분을 최적화하는 것을 능동적으로 방지하기 때문입니다. 이것은 파이프라인 실속의 가능성을 높입니다.

결론

메모리 장벽은 메모리 작업에 대한 순서 제약을 보장하는 명령입니다. 이는 비순차적 실행 프로세서가 특정 명령을 재정렬할 수 있기 때문에 중요합니다. 레지스트리 이름 바꾸기는 이 환경에서 메모리 무결성을 보장하는 방법으로 잘 확립되어 있지만 수동으로 확인하는 것이 도움이 될 수 있습니다.

메모리 배리어는 CPU 스케줄러가 배리어 뒤의 명령보다 먼저 명령이 완료되도록 강제합니다. 이렇게 하면 메모리 작업이 재정렬되는 것을 방지할 수 있습니다. 또한 CPU가 성능에 영향을 줄 수 있는 명령 흐름을 최적화하지 못하게 합니다.