mikroarkkitehtuuria

Mikroarkkitehtuuri tarkoittaa prosessorin sisäistä järjestelyä: sen toteutusta, miten laskenta-, rekisteri-, ohjaus- ja muistijärjestelmät sekä putkisto ja välimuistit on organisoitu. Se on erillinen mutta keskeinen osa prosessoria ja se vaikuttaa suoraan suorituskykyyn, sähkökulutukseen ja valmistustekniikkaan. Mikroarkkitehtuuri on erillinen ISA:sta (instruction set architecture), joka määrittelee ohjelmointirajapinnan ja käytettävissä olevat käskyt.

Tärkeimmät elementit ovat putkisto, joka jakaa käskyn suoritusvaiheisiin; superskalaarisuus, mikä mahdollistaa useampien käskyjen samanaikaisen suorittamisen; ohjauslogiikka sekä rekisterien hallinta kuten nimien uudelleenjärjestäminen; spekulatiivinen suoritus sekä haarukointiprediktio; muistijärjestelmä ja välimuistit (L1/L2/L3); mikropuitit tai mikro-opit sekä mahdolliset SIMD-yksiköt, jotka nopeuttavat erityisesti toistorunkoista laskentaa. Lisäksi mikroarkkitehtuuri huomioi monia lisäominaisuuksia, kuten tukea säikeistykseen, virtapihit ja virtualisoinnin toteutuksen.

Suunnittelussa korostuvat suorituskyvyn, tehonkulutuksen ja piirijännitteen sekä alueen välinen tasapaino. Kohtuullinen kelloaika, energiatehokkuus ja laitteiston kustannukset ohjaavat valintoja kuten putkistojen syvyyttä, ennustamisen monimutkaisuutta ja välimuistien kokoa. Mikroarkkitehtuuri ja ISA voivat kehittyä erikseen: sama käskykanta voidaan toteuttaa useilla eri mikroarkkitehtuureilla, mikä mahdollistaa teknologian kehityksen ja kilpailun.

Esimerkkejä käytännön mikroarkkitehtuureista ovat x86-pohjaisten prosessorien Core- ja Xeon-sarjojen ratkaisut, AMD:n Zen -perheen mikrorakenteet sekä ARM-pohjaisten Prosessoreiden Cortex-perheen ratkaisut; RISC-V:n ekosysteemissä on vastaavia avoimia mikroarkkitehtuureja. Mikroarkkitehtuuri on keskeinen tekijä suorituskyvyssä, energiankulutuksessa ja laitevalmistajien tarjoamissa ominaisuuksissa.