Skalare Prozessoren - Moderne Prozessorarchitekturen: Prinzipien und ihre Realisierungen - page 146

verzögerungsfrei arbeitenden Fließbandregistern plausibel gemacht werden kann:
Falls nämlich die Anzahl der Fließbandstufen verdoppelt wird, ist es möglich auch
die Taktfrequenz, mit der sich der theoretische Prozessor betreiben lässt, zu verdop-
peln. Verursacht ein Befehl einen Konflikt, wird zwar die zweifache Anzahl von
Straftakten fällig, die Ausführung ist jedoch wegen der doppelt hohen Taktfrequenz,
nicht langsamer, als wenn derselbe Befehl von dem ursprünglichen Prozessor mit
kurzem Fließband verarbeitet worden wäre. Insgesamt ergibt sich durch die Ver-
dopplung der Fließbandstufenzahl daher eine Durchsatzerhöhung, weil Befehle, die
keinen Konflikt verursachen, mit einer höheren Taktfrequenz verarbeitet werden.
Genauer (und nicht idealisiert) wird dieser Sachverhalt durch die Relation Gl.2.7
beschrieben, deren Herleitung in Bild 2.57 angegeben ist (jedoch für die nachfol-
genden Abschnitte keine weitere Bedeutung hat). Die Relation ist als eine Bedin-
gung zu verstehen, die erfüllt sein muss, damit sich in einem Prozessor mit n Fließ-
bandstufen eine Verlängerung um eine Stufe bezogen auf den Befehlsdurchsatz
lohnt. Darin ist t r gleich der Laufzeit durch ein Register (Summe der sog. hold-time
und setup-time), t p gleich der Laufzeit durch eine Fließbandstufe, s gleich der
Anzahl der Takte, die ein konfliktverursachender Befehl benötigt, um ausgeführt zu
werden und q gleich der Wahrscheinlichkeit für das Auftreten eines entsprechenden
Befehls im Befehlsstrom (sie sollte geringer sein als die Wahrscheinlichkeit für das
Auftreten eines Kontrollflusskonflikts).
Eine Erhöhung der Stufenzahl ist demnach umso schwieriger, je näher die Laufzei-
ten t p und t r beieinander liegen, je kleiner s , je größer n und je größer die Wahr-
scheinlichkeit q für konfliktverursachende Befehle ist. Ungewöhnlich mag erschei-
nen, dass sich die Relation umso leichter erfüllen lässt, je größer s , die Anzahl der
Takte ist, die ein konfliktverursachender Befehl benötigt, um verarbeitet zu werden.
Dies liegt daran, weil s sich auf den als Vorgabe verwendeten Prozessor mit n Fließ-
bandstufen bezieht und nicht auf den daraus abgeleiteten Prozessor mit n + 1 Fließ-
bandstufen.
Bei geringer Fließbandstufenzahl ist t p deutlich größer als t r , so dass die linke Seite
der Relation in erster Näherung gleich Eins ist. Um so größer die Anzahl der Fließ-
bandstufen, desto kleiner wird t p und desto größer wird der Einfluss des Quotienten
t r / t p . Aber selbst bei extrem langem Fließband ist die Laufzeit durch eine Fließ-
bandstufe i.Allg. größer als die durch ein Register. Nach [85] wird erwartet, dass in
Zukunft die Laufzeit durch eine Fließbandstufe 6 FO4 erreicht, wobei ein FO4
gleich der Laufzeit durch einen Inverter ist, dem vier andere Inverter nachgeschaltet
sind (FO4, fanout-of-four, siehe auch [63]). Ein solcher Prozessor wäre mit einer
Taktfrequenz entsprechend einer Laufzeit von 8 FO4 betreibbar, was bedeuten
würde, dass t r / t p gleich 1 / 3 wäre. - Ob es Sinn ergibt, die Anzahl der Fließband-
stufen zu erhöhen, ist natürlich nicht nur vom Befehlsdurchsatz abhängig. Weitere
Aspekte sind z.B. der mit der Taktfrequenz steigende Strombedarf und die bei stei-
gendem Strombedarf zusätzlich erzeugte Abwärme. Eine Diskussion dieser Thema-
tiken soll jedoch den Technologen vorbehalten sein.