microarchitectuur

Microarchitectuur is de organisatie en het ontwerp van de kern van een processor die een instructieset mogelijk maakt. Het beschrijft hoe componenten als fetch-decode-execute-pijplijn, registers, caches en de geheugeninterface samenwerken om instructies uit te voeren. In tegenstelling tot de ISA, die aangeeft welke instructies bestaan, bepaalt de microarchitectuur hoe die instructies hardwarematig worden uitgevoerd. Soms wordt een ISA via microcode geïmplementeerd, wat inhoudt dat instructies bestaan uit lagere micro-instructies.

Belangrijke onderdelen van de microarchitectuur zijn de fetch-decode-execute pijplijn; out-of-order uitvoering en registerrenaming; een geheugenhiërarchie met caches (L1/L2/L3); een memory-subsystem met load/store units; een branch predictor en optionele instruction fusion; SIMD- en vector-eenheden; en prefetchers. Samen bepalen deze elementen de throughput en latency van de core, evenals het energieverbruik en de siliciumoppervlakte.

Ontwerpkeuzes geven trade-offs tussen prestaties, energie en oppervlakte. Diepte van de pijplijn, de gevolgen van mispredictions en de efficiëntie van geheugen-subsystemen zijn cruciale factoren. Moderne cores gebruiken technieken zoals out-of-order en speculative uitvoering, registerrenaming, multithreading (SMT) en vectorisatie om prestaties te verbeteren.

De microarchitectuur wordt geëvalueerd met metrics zoals IPC, latency, throughput en energie per uitvoering. Fabrikanten brengen regelmatig nieuwe microarchitecturen uit die dezelfde ISA ondersteunen maar betere prestaties of efficiëntie bieden, zoals Zen van AMD of Core-microarchitecturen van Intel, en vergelijkbare concepten voor GPU’s met bijbehorende architecturen.

Ontwerp is afhankelijk van de fabricagetechnologie en de interactie met de ISA en compileroptimalisaties die inspelen op microarchitecturale kenmerken zoals SIMD-instructies en cache-latency.