대칭형 다중 처리

3. 설계

SMP 시스템은 단일 운영 체제 하에서 작동하며, 여러 개의 동종 프로세서가 공유 메모리를 가진다.^[20] 각 프로세서는 일반적으로 캐시 메모리를 가지고 있어 메모리 접근 속도를 높이고 시스템 버스 트래픽을 줄인다.^[20]

프로세서 간 상호 연결은 버스, 크로스바 스위치, 또는 온칩 메시 네트워크를 사용하여 이루어진다.^[20] 버스나 크로스바 스위치를 사용하는 SMP는 상호 연결의 대역폭 및 전력 소비가 확장성의 병목 현상이 될 수 있다.^[20] 메시 아키텍처는 이러한 병목 현상을 피하고 확장성을 제공하지만, 프로그래밍의 복잡성을 증가시킨다.

1980년대 후반부터 크로스바 스위치가 양산형 서버에도 채용되면서, 대규모 SMP 구성이 가능해졌다. 초기에는 버스 방식이 주로 사용되었고, 속도도 느려 SMP의 최대 구성은 8 CPU 정도, 실효 성능은 단일 CPU의 5배 정도에 머물렀다.

1990년대 초반부터 MIPS의 R4000 시리즈, SPARC 시리즈와 같은 멀티프로세싱을 전제로 한 RISC 프로세서가 등장하면서, 선 마이크로시스템즈의 Solaris 등에서 채용이 급속도로 진행되었고, 서버에서의 처리 속도 향상 기법의 주류로서 범용화되었다.

2006년 현재, 거의 모든 유닉스 계열 OS 및 윈도우 NT 계열 OS에서 SMP가 채용되고 있다. 개인용 컴퓨터(PC)나 스마트폰/태블릿과 같은 일반 소비자용 기기도 2000년대의 PC, 2010년대의 스마트폰/태블릿은 2개 이상의 물리 코어 또는 SMT에 의한 논리 코어를 탑재한 멀티코어 CPU를 채용하는 SMP 환경이 주류가 되었다.^[20]

4. 장단점

대칭형 다중 처리(SMP)는 여러 프로세서가 메모리와 자원을 공유하며 작업을 처리하는 방식이다.

SMP는 병렬 프로그래밍을 통해 여러 프로세서를 활용하여 처리량을 높이는 비용 효율적인 방법이지만, 캐시 일관성 문제와 공유 객체로 인해 확장성에 제약이 있다.

초기 SMP 시스템은 단일 CPU가 큰 공간을 차지했으나, 현재는 모든 프로세서가 하나의 상자 안에 긴밀하게 연결되어 있다. 하나의 운영 체제에서 모든 프로세서를 관리하며, 병렬 프로그래밍을 통해 여러 프로세서가 동시에 작업을 처리한다.

1990년대 RISC 프로세서의 등장과 함께 SMP는 서버에서 처리 속도 향상의 주류 기술로 자리 잡았다. NUMA 아키텍처를 통해 대규모 SMP 구성이 가능해졌으며, 현대에는 대부분의 유닉스 계열 OS와 윈도우 NT 계열 OS에서 SMP를 사용한다. PC와 스마트폰 등 일반 소비자용 기기에도 멀티코어 CPU를 탑재하여 SMP 환경이 보편화되었다.

하지만, 리소스 경합 시 순차 처리가 불가피하며 병렬 최적화가 어렵다는 단점이 있다. 또한, 부팅 과정이나 하드웨어 인터럽트 처리 등에서 완전한 대칭을 이루지 못하는 경우도 있다.

4. 1. 장점

4. 2. 단점

5. 프로그래밍

단일 프로세서 및 SMP 시스템은 최대 성능을 달성하기 위해 서로 다른 프로그래밍 방식을 필요로 한다. SMP 시스템에서 실행되는 프로그램은 단일 프로세서 시스템용으로 작성되었더라도 성능 향상을 경험할 수 있다. 이는 일반적으로 하드웨어 인터럽트가 프로그램 실행을 일시 중지하는 동안 이를 처리하는 커널(운영 체제)이 유휴 프로세서에서 실행될 수 있기 때문이다. 대부분의 응용 프로그램(예: 게임)에서 그 효과는 성능 향상이라기보다는 프로그램이 훨씬 더 부드럽게 실행되는 것처럼 보이는 것이다. 일부 응용 프로그램, 특히 소프트웨어 빌드 및 일부 분산 컴퓨팅 프로젝트는 추가 프로세서 수에 (거의) 비례하는 속도로 더 빠르게 실행된다. (컴파일러 자체는 단일 스레드이지만, 여러 컴파일 단위로 소프트웨어 프로젝트를 빌드할 때 각 컴파일 단위가 독립적으로 처리되면 전체 다중 컴파일 단위 프로젝트에서 자명하게 병렬 상황이 생성되어 컴파일 시간이 거의 선형적으로 확장될 수 있다. 분산 컴퓨팅 프로젝트는 본질적으로 설계상 병렬적이다.)

시스템 프로그래머는 SMP에 대한 지원을 운영 체제에 구축해야 한다. 그렇지 않으면 추가 프로세서가 유휴 상태로 유지되고 시스템은 단일 프로세서 시스템으로 작동한다.

SMP 시스템은 명령어 집합과 관련하여 더 많은 복잡성을 초래할 수 있다. 동종 프로세서 시스템은 일반적으로 SIMD(MMX, SSE 등)와 같은 "특수 명령어"에 대한 추가 레지스터가 필요하며, 이종 시스템은 서로 다른 명령어/사용 사례에 대해 서로 다른 유형의 하드웨어를 구현할 수 있다.

6. 대안

NUMA (Non-Uniform Memory Access, 비균일 메모리 접근)는 서로 다른 메모리 뱅크를 서로 다른 프로세서에 할당하는 방식이다. NUMA 아키텍처에서 프로세서는 로컬 메모리에 빠르게 접근하고 원격 메모리에 더 느리게 접근할 수 있다. 이는 데이터가 특정 프로세스(따라서 프로세서)에 국한되어 있는 한 메모리 처리량을 크게 향상시킬 수 있다. 단점은 NUMA가 작업 부하 균형 조정과 같이 데이터를 한 프로세서에서 다른 프로세서로 이동하는 비용을 더 비싸게 만든다는 것이다. NUMA의 이점은 특정 작업 부하, 특히 데이터가 종종 특정 작업 또는 사용자와 강력하게 연관되는 서버에서 제한된다.

모든 메모리를 모든 프로세서에서 사용할 수 없는 컴퓨터 클러스터 다중 처리(예: 베오울프)도 대안으로 제시된다. 클러스터링 기술은 매우 큰 슈퍼컴퓨터를 구축하는 데 상당히 광범위하게 사용된다.

7. 가변 SMP (Variable SMP)

가변 대칭형 다중 처리(vSMP)는 엔비디아(NVIDIA)가 모바일 장치를 위해 개발한 기술이다. 이 기술은 쿼드 코어 장치에 저전력 코어(컴패니언 코어)를 추가하여, 모바일 장치가 활성 대기 모드, 비디오 재생, 음악 재생과 같은 작업을 낮은 주파수로 실행하여 배터리 수명을 늘리는 데 도움을 준다.

엔비디아가 특허를 받은 프로젝트 칼-엘(테그라 3)은 이 vSMP 기술을 구현한 최초의 SoC(System on Chip)였다. 이 기술은 활성 대기 상태에서 모바일 전력 소비를 줄일 뿐만 아니라, 모바일 애플리케이션 사용 시 쿼드 코어 성능을 극대화한다. 이를 통해 모바일 프로세서의 전력 소비를 줄여 활성 및 대기 사용 중 배터리 수명 성능을 향상시킨다.

vSMP 컴패니언 코어는 OS 투명성을 가지는데, 이는 운영 체제와 실행 중인 애플리케이션이 이 추가 코어를 인식하지 못하지만 여전히 활용할 수 있음을 의미한다. vSMP 아키텍처의 장점은 다음과 같다.

• 캐시 일관성: vSMP는 컴패니언 코어와 주 코어가 동시에 실행되는 것을 허용하지 않아, 다른 주파수로 실행되는 코어 간의 캐시 동기화 문제가 발생하지 않는다.
• OS 효율성: 여러 CPU 코어가 서로 다른 비동기 주파수로 실행되면 스케줄링 문제가 발생할 수 있지만, vSMP에서는 활성 CPU 코어가 유사한 주파수로 실행되어 OS 스케줄링을 최적화한다.
• 전력 최적화: 비동기 클럭 기반 아키텍처에서는 각 코어가 다른 작동 주파수에 대한 전압 조정을 위해 다른 전력 평면에 있어 성능에 영향을 줄 수 있다. vSMP 기술은 활성 및 대기 사용을 위해 특정 코어를 동적으로 활성화 및 비활성화하여 전체 전력 소비를 줄인다.

8. 내장애성

모든 SMP 지원 OS/서버에서는 기동 시 CPU 장애가 발견된 경우, 이상 CPU는 시스템에 포함되지 않고 정상 CPU만으로 동작하게 된다. 상업용 유닉스용 상위 클래스 서버 및 기저 시스템 Windows 서버 일부에서는 부트 CPU를 고정하지 않고 정상적으로 동작하는 CPU 중 하나(고장 CPU가 없는 경우에는 고정)에 의해 IPL(초기 프로그램 로더)이 실행되어 부트 처리를 수행한다. 한편, 상업용 유닉스에서 고기능 기저 시스템 서버를 사용하는 경우, OS와 펌웨어 레벨에서 CPU 및 캐시의 기능 검사가 가동 시에 정기적으로 수행되며, 특정 레벨 이상의 CPU 장애 시에는 동적으로 CPU를 분리하여 업무를 지속한다.

참조

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_[19] 문서 SMPとAMP マルチコアプロセッサの特徴について解説 - クミコミ https://www.kumikomi[...]
_[20] 문서 Energy Aware Scheduling — The Linux Kernel documentation https://www.kernel.o[...]