Compiler-Techniken für superskalare Prozessoren

'Power is nothing without control' - was für Autos gilt, trifft auch auf CPUs zu. Ohne optimierende Compiler verpufft das Leistungspotenzial von Pentium 4 & Co wirkungslos. Wir stellen die wichtigsten Optimierungen vor.

Die Entwicklung von Prozessoren in den letzten Jahren sowie die vermutete Entwicklung für die nächsten Jahre lassen sich durch folgende Zahlen gut darstellen:

  • 1990 konnten Mainstream-Mikroprozessoren eine Instruktion pro Takt ausführen (typische RISC-Technologie).

  • 1995 betrug diese Zahl bei Mainstream-Mikroprozessoren etwa vier Instruktionen pro Takt.

  • In naher Zukunft werden 16 Instruktionen pro Takt in paralleler Ausführung als Richtwert vermutet.

Der theoretische IPC (Instruction per Clock) von 16 wurde im Jahre 1995 für das Jahr 2000 vorhergesagt, trat bislang aber nicht ein. Die Gründe sind einfach: Man hat es noch nicht geschafft, diesen theoretischen Wert in eine praktisch verwertbare Rechenleistung umzusetzen. Allein der Fetch von 16 Instruktionen, der für eine 16fache Parallelität notwendig ist, erweist sich als schwierig. Zudem ist bei klassischen Befehlssätzen jeder fünfte bis sechste Befehl eine bedingte Verzweigung, so dass der Prozessor Instruktionen über viele Spekulationen laden müsste.

Dennoch: Die theoretische Performance der Prozessoren, bezogen auf den Takt, steigt weiter. Prozessoren und Compiler jedoch haben sich schon seit Längerem gegenseitig beeinflusst: Angepasste Registersätze sowie spezielle Assembler-Befehle (etwa für den Stackframe bei Funktionsaufrufen) zeigen solche Beeinflussungen. Die folgenden Abschnitte zeigen, warum es zukünftig neue Compiler-Technologien und -Strategien geben muss und welche Änderungen nötig sind. Einige Beispielprogramme in den Abschnitten runden den Überblick ab.

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