O paralelismo no nível da instrução (ILP) explora o fato de que várias instruções em um programa podem ser executadas simultaneamente, mesmo que não sejam explicitamente especificadas como paralelas. É implementado através de uma combinação de técnicas de hardware e compilador. Aqui está um colapso:

Técnicas de hardware :

* Pipelining: Esta é a técnica mais fundamental. As instruções são divididas em palcos (busque, decodifique, execute, acesso à memória, gravação de volta) e várias instruções podem estar em diferentes estágios do pipeline simultaneamente. Isso aumenta a taxa de transferência de instrução, mesmo que não reduza a latência das instruções individuais. Os riscos (dependências de dados, dependências de controle) podem limitar a eficácia da pipelining, exigindo técnicas como encaminhamento e previsão de ramos.

* Arquitetura superescalar: Várias unidades de execução estão presentes, permitindo que várias instruções sejam executadas simultaneamente em um único ciclo de relógio. O processador agenda dinamicamente as instruções para diferentes unidades de execução com base em suas dependências e disponibilidade. Isso requer hardware de agendamento de instruções sofisticado.

* Palavra de instrução muito longa (VLIW): O compilador realiza uma extensa programação estática, empacotando várias instruções independentes em uma única palavra de instrução muito longa. Isso simplifica o hardware em comparação com o SuperScalar, pois o agendamento de instruções é feito inteiramente no horário de compilação. No entanto, reduz a flexibilidade e pode levar ao Bloat, se não houver instruções independentes suficientes.

* Execução fora de ordem: As instruções são executadas em um pedido diferente da ordem do programa, desde que as dependências de dados sejam respeitadas. Isso requer hardware complexo para rastrear dependências e gerenciar a renomeação do registro (para evitar conflitos quando as instruções são reordenadas).

* Previsão da filial: Prevê o resultado dos ramos (saltos condicionais) para evitar impedir o oleoduto quando um ramo é encontrado. Previsões incorretas podem levar a descargas de pipeline, desperdiçando ciclos. Técnicas avançadas de previsão de ramificação usam algoritmos sofisticados e tabelas de história de filial.

* Execução especulativa: Executa instruções antes que suas dependências sejam totalmente resolvidas (por exemplo, antes que uma ramificação seja resolvida). Se a especulação estiver incorreta, os resultados serão descartados. Essa técnica melhora significativamente o desempenho, mas acrescenta complexidade e o risco de resultados incorretos se não forem gerenciados com cuidado.

* Análise de fluxo de dados: O hardware rastreia as dependências de dados entre as instruções para garantir a ordem de execução correta, mesmo com a execução fora de ordem.


Técnicas de compilador:

* Programação de instruções: O Compiler reordenta instruções para maximizar o ILP, levando em consideração dependências de dados e restrições de recursos. Isso é crucial para arquiteturas superscalares e VLIW.

* Loop Unrolling: Replica o corpo de um loop várias vezes, aumentando o número de instruções disponíveis para execução paralela. Isso pode melhorar o ILP, mas também pode aumentar o tamanho do código.

* Pipelining de software: Sobrepõe a execução das iterações de um loop, semelhante à pipelining no nível de instrução. Isso é particularmente eficaz para loops com dependências significativas entre as iterações.

* Alocação de registro: Atribui com eficiência registros a variáveis ​​para minimizar derramamentos de registro (armazenando variáveis ​​na memória) e melhorar o agendamento de instruções.

* Execução do predicado: Permite que as instruções sejam executadas condicionalmente com base em um predicado booleano. Isso pode melhorar o ILP, evitando ramos em alguns casos.


Desafios:

* Dependências de dados: As instruções que dependem dos resultados de instruções anteriores não podem ser executadas simultaneamente. Isso limita a quantidade de ILP que pode ser alcançada.

* dependências de controle: As instruções executadas condicionalmente (com base em ramificações) não podem ser executadas até que a condição da ramificação seja resolvida. A previsão da filial ajuda a mitigar isso.

* Restrições de recursos: Unidades de execução limitadas e outros recursos de hardware podem restringir o nível de paralelismo que pode ser alcançado.

* Complexidade: A implementação de técnicas de ILP requer complexidade significativa de hardware e software, aumentando os custos de design e o consumo de energia.


Em resumo, a implementação do ILP envolve uma interação sinérgica entre designs sofisticados de hardware e otimizações avançadas do compilador. As técnicas específicas usadas dependem da arquitetura de destino e das características do programa que está sendo executado. Os processadores modernos empregam uma combinação dessas técnicas para alcançar altos níveis de paralelismo no nível da instrução.