Processeurs superscalaires « flot de données »

Cet article examine les caractéristiques principales des processeurs superscalaires « flot de données », souvent appelés superscalaires à exécution non ordonnée (out-of-order). Comme tous les superscalaires, ces processeurs utilisent le parallélisme d’instructions existant dans un programme séquentiel pour exécuter en parallèle, sous contrôle du matériel, les instructions pouvant s’exécuter simultanément. Alors que les superscalaires dans l’ordre ne peuvent démarrer l’exécution que d’un nombre réduit d’instructions (2 à 4) dans les pipelines des différents opérateurs, les superscalaires flot de données considèrent un nombre beaucoup plus élevé d’instructions pour tirer parti au mieux du flot de données entre instructions. Les instructions sont lues et décodées dans l’ordre, exécutées en flot de données, et terminées dans l’ordre pour permettre le traitement des exceptions comme dans le cas d'une exécution strictement séquentielle.

Cet article présente les mécanismes et structures permettant à la fois le « flot de données » et la terminaison ordonnée. Le tampon de réordonnancement (ROB) reçoit les instructions décodées et garantit la terminaison ordonnée. La gestion des dépendances de données est traitée par le renommage des registres, qui peut être partiel (via les entrées du ROB) ou total (via des registres physiques et une correspondance entre ces registres physiques et les registres architecturaux). Les « stations de réservation » alimentent les opérateurs, permettant de réinjecter au plus tôt les résultats des opérateurs dans les entrées des stations qui attendent ces résultats. Les problèmes de reprise après une exécution spéculative erronée, des interruptions, de l’exécution multithread et des tampons de rangement mémoire sont aussi présentés.

Après un bref historique, les concepts introduits sont illustrés via des exemples de processeurs d’Intel, du Pentium Pro aux cœurs des multicœurs Core, dont certains utilisent le renommage partiel et d’autres le renommage total. L’exemple du Power 4 d’IBM, qui fournit à la partie « flot de données » des groupes d’instructions et termine les instructions par groupe, est également détaillé.

Les limites du parallélisme d’instructions dans un code séquentiel, le mur de la chaleur et un faible gain de performance résultant d’une augmentation importante de la complexité matérielle ont fait que les processeurs superscalaires « flot de données » sont les derniers monoprocesseurs haut de gamme. Mais ils sont maintenant les cœurs de la plupart des processeurs multicœurs.