PROCESADORES SUPERESCALARES
El procesamiento superescalar
es la ultima de una serie de innovaciones tendientes a producir procesadores
cada vez mas rápidos. Explotando el paralelismo a nivel de instrucción, los
superescalares son capaces de ejecutar mas de una instrucción por ciclo de
reloj (dos, tres, cuatro, ocho ya es mucho!).
Los procesadores superescalares
pueden iniciar la ejecución simultánea de varias instrucciones escalares en
paralelo de manera que se pueden operar varios elementos de un vector dentro de
una misma iteración.
Para ésto, es necesario que existan varias unidades aritmético-lógicas, de punto flotante y de control. El proceso que sigue el micro es transparente al programa, aunque el compilador puede ayudar analizando el código y generando un flujo de instrucciones optimizado. Veamos cómo se ejecutarían las instrucciones en un procesador superescalar de que tiene duplicadas las subunidades que lo componen:
Aunque esto mejora la velocidad global del sistema, los conflictos de datos crecen. Si antes las instrucciones se encontraban muy próximas, ahora se ejecutan simultaneamente. Esto hace necesario un chequeo dinámico para detectar y resolver los posibles conflictos.
Ejemplo: El Pentium
El Pentium ofrece un juego de instrucciones CISC, pero internamente está diseñado como un procesador RISC. Cada instrucción CISC del juego x86 antiguo se descompone en una o varias RISC. Este proceso de conversión sólo ocupa el 3% del circuito que se dedica a microprogramas. El Pentium tiene dos unidades de ejecución de enteros (U y V), y una de punto flotante. Presenta encadenamiento (pipeline) de 5 etapas para los enteros y de 8 para los números de punto flotante. Para realizar una operación de punto flotante, se aprovechan las 4 primeras etapas de la primera unidad de enteros, y la unidad de punto flotante toma el control para las 4 últimas etapas.
Para saber si las instrucciones son paralelizables, el procesador sigue un sencillo algoritmo. Para ejecutar las instrucciones I1 e I2:
IF I1 es simple
AND I2 también simple
AND I1 no es salto
AND destino de I1 no es fuente de I2
AND destino de I1 no es destino de I2
THEN
envía I1 a U
envía I2 a V
ELSE
envía I1 a U, para I2 (será evaluada con I3)
Si se utiliza un compilador que conoce este modo de funcionamiento, mejora hasta un 30% la velocidad.
Existen mejoras en las arquitecturas superescalares, que intentan reducir el impacto de los conflictos de datos en el rendimiento. Veamos dos de ellas:
Out of order execution
O sea, ejecución desordenada. Supongamos un conflicto de datos entre las instrucciones i y j consecutivas. El procesador retarda sólo j y las instrucciones que dependen de ella, pero no otras instrucciones independientes que vayan detrás de i. Esto implica mayor complejidad, pero también mayor ancho de banda de ejecución. El Pentium Pro y el HP8000 usan esta técnica.
Registros en la sombra
También llamados Shadow Registers o Dynamic Register Renaming. Esta técnica consiste en elminar las dependencias de orden o de salida teniendo varios juegos de registros, uno por unidad de ejecución.
Hablemos ahora del rendimiento. Los procesadores superescalares, como el Alpha 21264, el Sillicon Graphics MIPS/R10000, el PowerPC 604 y el Pentium Pro ejecutan hasta 4 instrucciones simultáneas. Pero 1/CPI (Instrucciones Por Ciclo, IPC) es menor de lo esperado en programas reales, debido a conflictos que no se pueden soluccionar. El IPC ideal en estos procesadores sería de 4, pero en la práctica sólo se alcanza entre 0,5 y 1,5. Estos valores disminuyen a medida que aumenta el número de unidades replicadas. El coste es mucho mayor de lo esperado. Por ejemplo, si analizamos el MIPS R5000, que es un procesador RISC simple, frente al MIPS R10000 (out-of-order, ejecución especulativa) observamos que el modelo R10000 ocupa 3,43 veces más área, pero sólo es 1,64 veces más rápido (según el índice SPECint95).
Una de las técnicas mas importantes del procesamiento paralelo superescalar es la "ejecución especulativa", que es la que permite ejecutar una instrucción sin que el procesador este del todo seguro que deba ser ejecutada. Esta técnica esta pensada para evitar detenciones en el flujo de ejecución debidas a las instrucciones de salto.
Otra aplicación de esta idea, aun teórica, es la especulación sobre los
valores de los datos. Es una idea curiosa: se trata de calcular resultados sobre
valores predecidos y no calculados previamente.
Entonces, la instrucción que se arriesga a usar estos valores predecidos (que
pueden o no ser correctos) se ejecuta especulativamente,
"superespeculativamente"...