超长流水线的性能瓶颈

你说流水线能增加 CPU 吞吐率，流水线级数就越深越好咯？

增加流水线深度，是有性能成本的。

同步时钟周期的，不再是指令级别，而是流水线阶段级别。

每一级流水线对应的输出，都要放到流水线寄存器（Pipeline Register），然后在下一个时钟周期，交给下一个流水线级去处理。

所以，每增加一级流水线，就要多一级写入到流水线寄存器的操作。

虽然流水线寄存器非常快，比如只有20皮秒（ps，1 0 − 12 10^{-12}10 ^-12）。

但不断加深流水线，这些操作占整个指令的执行时间的比例就会不断增加。最后，性能瓶颈就会出现在这些overhead。

若指令执行有3ns=3000ps：

• 20级流水线，则流水线寄存器写入就要400ps，占超过10%
• 50级流水线，就要多花费1ns在流水线寄存器上，占到25%

这意味着，单纯增加流水线级数，不仅不能提升性能，反而会有更多overhead开销。所以，设计合理的流水线级数也是现代CPU中非常重要的一点。

总结

为不浪费CPU性能，通过把指令执行过程，切分成一个个流水线级，提升CPU吞吐率。而CPU设计，又是由一个个独立的组合逻辑电路串接起来形成，适合这样采用流水线“专业分工”的工作方式。

因为每一级overhead，一味地增加流水线深度，并不能无限提高性能。

因为指令的执行不再是顺序一条条执行，而是在上条执行到一半时，下一条就已经启动了，所以给程序带来很多挑战。这些挑战和对应解决方案，你就得持续关注这个系列文章了！

参考

• 《深入理解计算机系统》的4.4章节
• 《计算机组成与设计 硬件/软件接口》的4.5章节