Dự đoán nhánh đã phát triển từ những bộ đếm hai bit đơn giản thành các hệ thống tinh vi giống như mạng neural có thể dự đoán luồng lệnh của CPU với độ chính xác đáng kinh ngạc. Tối ưu hóa ở cấp độ phần cứng này đã trở nên quan trọng đến mức có thể tạo ra sự khác biệt giữa việc thực thi chương trình nhanh và chậm, ngay cả khi xử lý dữ liệu giống hệt nhau.
Mạng Neural Phần Cứng Bên Trong Bộ Xử Lý Của Bạn
Các CPU hiện đại hiện tại sử dụng bộ dự đoán nhánh dựa trên perceptron hoạt động như những mạng neural thu nhỏ. Các hệ thống này đã tiến xa hơn nhiều so với những bộ đếm bão hòa hai bit thời kỳ đầu chỉ đơn giản theo dõi xem các nhánh có được thực hiện mạnh mẽ hay yếu ớt không được thực hiện. Các bộ xử lý ngày nay, đặc biệt là chip AMD Ryzen , chứa các triển khai phần cứng giống với nhận dạng mẫu được tìm thấy trong các mô hình học máy.
Sự tinh vi không dừng lại ở đó. Các bộ dự đoán nhánh hiện tại sử dụng các thuật toán như TAGE ( Tagged Geometric History ), có thể nhận dạng các mẫu phức tạp như các nhánh được thực hiện mỗi lần thứ năm hoặc mối tương quan giữa các bước nhảy có điều kiện gần nhau. Điều này thể hiện một bước tiến đáng kể từ các phương pháp dự đoán cơ bản chỉ xem xét lịch sử nhánh trước đó.
TAGE: Tagged Geometric History - một thuật toán dự đoán nhánh tiên tiến sử dụng nhiều bảng dự đoán với độ dài lịch sử khác nhau để đạt độ chính xác cao
Các Giai Đoạn Pipeline CPU:
- Instruction Fetch (IF): Lấy lệnh từ bộ nhớ
- Instruction Decode (ID): Xác định ý nghĩa của lệnh
- Execute (EX): Thực hiện phép toán
- Memory Access (MEM): Truy cập bộ nhớ nếu cần thiết
- Write Back (WB): Lưu trữ kết quả vào bộ nhớ
Tác Động Hiệu Suất Đạt Tới 50% Thời Gian Thực Thi Được Tiết Kiệm
Cuộc thảo luận cộng đồng tiết lộ tác động của dự đoán nhánh có thể đáng kể như thế nào đối với hiệu suất thực tế. Xử lý dữ liệu thương mại điện tử giống hệt nhau với thứ tự khác nhau có thể dẫn đến sự khác biệt hiệu suất 80%, với dữ liệu được sắp xếp chạy nhanh hơn đáng kể so với thông tin được sắp xếp ngẫu nhiên.
Không có bất kỳ dự đoán nhánh nào, các CPU sẽ cần phải tạm dừng đường ống lệnh của chúng mỗi khi gặp các bước nhảy có điều kiện. Các bộ xử lý hiện đại với tỷ lệ độ chính xác dự đoán 90-97% tự động tiết kiệm khoảng 50% thời gian thực thi so với các hệ thống chờ đợi giải quyết nhánh. Cải thiện này xảy ra một cách minh bạch qua hàng tỷ dự đoán mỗi giây trên các thiết bị thông minh.
Chi phí của dự đoán sai vẫn còn đáng kể - khoảng 15-22 chu kỳ trên bộ xử lý Intel thế hệ 12 và 18-22 chu kỳ trên chip AMD Zen 4 . Với các CPU hiện đại chạy ở tốc độ gigahertz, những hình phạt này tích lũy nhanh chóng trong mã có nhiều nhánh.
Mức phạt dự đoán nhánh sai:
- Intel thế hệ 12: 15-22 chu kỳ
- AMD Zen 4 : 18-22 chu kỳ
- Thời gian giải quyết nhánh: 2-3 chu kỳ cho tính toán thanh ghi
- Chi phí lịch sử (2012): độ trễ ~5ns
Gợi Ý Trình Biên Dịch Và Tổ Chức Mã Quan Trọng Ít Hơn Dự Kiến
Một phát triển thú vị trong bối cảnh dự đoán nhánh là tầm quan trọng giảm dần của các gợi ý trình biên dịch rõ ràng. Các gợi ý dự đoán nhánh truyền thống được tìm thấy trong các bộ lệnh như x86 hiện tại phần lớn bị các bộ xử lý hiện đại bỏ qua vì các cơ chế dự đoán nội bộ của chúng đã trở nên quá tinh vi.
Chúng vô dụng vì trình biên dịch có thể đơn giản bố trí mã sao cho đường dẫn có khả năng nhất không kích hoạt nhánh và thực thi mã một cách tuần tự.
Thay vì dựa vào gợi ý, các nhà phát triển có thể đạt được kết quả tốt hơn bằng cách tổ chức mã và dữ liệu của họ để làm việc với các mẫu dự đoán tự nhiên của phần cứng. Điều này bao gồm xử lý dữ liệu tương tự cùng nhau, gom nhóm các hoạt động tương tự, và tránh logic có điều kiện ngẫu nhiên trong các đường dẫn quan trọng về hiệu suất.
Nhánh dễ nhất để CPU dự đoán là nhánh không bao giờ được thực hiện, về cơ bản trở thành một lệnh không hoạt động không yêu cầu lưu trữ trong các bảng dự đoán nhánh. Bố trí mã thông minh có thể biến đổi nhiều nhánh thành các mẫu có thể dự đoán cao này.
Tỷ lệ chính xác dự đoán nhánh theo loại khối lượng công việc:
- Các mẫu có tính quy luật cao (dữ liệu đã sắp xếp): 93-97%
- Các mẫu hỗn hợp/ngẫu nhiên (ứng dụng thông thường): 30-95%
- Trung bình CPU hiện đại: 90-97%
Ý Nghĩa Tương Lai Cho Phát Triển Phần Mềm
Khi các bộ dự đoán nhánh tiếp tục phát triển theo hướng kiến trúc giống mạng neural hơn, mối quan hệ giữa thiết kế phần mềm và tối ưu hóa phần cứng trở nên ngày càng quan trọng. Cuộc thảo luận cộng đồng cho thấy rằng hiểu biết về các cơ chế phần cứng này đang trở nên thiết yếu cho các ứng dụng quan trọng về hiệu suất.
Xu hướng hướng tới các thuật toán dự đoán tinh vi hơn có nghĩa là các nhà phát triển căn chỉnh cấu trúc mã của họ với các mẫu dự đoán phần cứng sẽ thấy lợi ích hiệu suất liên tục. Điều này thể hiện sự chuyển đổi từ các kỹ thuật tối ưu hóa truyền thống sang các thực hành lập trình nhận thức phần cứng xem xét các cơ chế dự đoán cơ bản.
Tham khảo: Branch prediction: Why CPUs can't wait?