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  1. 첫 번째 범주 : 기본 컴퓨팅 x86, x86-64 및 EM64T 등
  2. 두 번째 범주 : SIMD 명령어 세트, SSE 시리즈, AVX 시리즈가 있습니다.
  3. 멀티미디어 애플리케이션
  4. 암호화 및 암호 해독 작업
  5. 데이터 직렬화
  6. 경기
  7. 과학 컴퓨팅 및 인공 지능
  8. 탐지 및 처리 성능, 실행 지점
  9. 세 번째 범주 : 가상화 명령 세트 Intel, 가상 머신 애플리케이션
  10. 네 번째 범주 : 암호화 및 복호화 AES-IN 명령 세트와 같은 보안 명령 세트
  11. 다섯 번째 범주 : 다중 스레드 애플리케이션, TSX 트랜잭션 동기화 확장 명령 세트

 

 

컴퓨터가 계산을 수행 할 수있는 이유는 주로 대규모 집적 회로의 트랜지스터로 구성된 논리 회로에 달려 있다는 것을 우리 모두 알고 있습니다. 이러한 논리 회로를 통해 컴퓨터는 계산과 판단을 수행 할 수 있습니다. 그러나 단순한 논리 회로의 경우 전체 작업에서 작업의 일부만 수행 할 수 있으므로 사람들은 이러한 간단한 논리 회로를 결합하여 컴퓨터가 복잡한 작업을 수행 할 수 있습니다. CPU 설계자가 이러한 조합 논리 회로를 일반 연산 장치로 만들 때 연산 결과를 얻기 위해 명령과 데이터를 특정 형식으로 입력합니다. 점점 더 많은 유형의 작업이 필요하고 작업이 점점 더 복잡해지면 CPU 설계자는 이러한 명령을 분할하고 재구성하여 완전한 작업 집합, 즉 명령 집합을 형성 합니다.


Unsplash의 사진

그러나 위의 내용은 CPU 명령어 세트 설계자와 CPU 마이크로 아키텍처 설계자를위한 것입니다. CPU 명령어 설계자는 다른 컴퓨터 작업을 명령어로 설계하고 마이크로 아키텍처 설계자는 이러한 명령어 형식을 사용하여 마이크로 아키텍처를 설계합니다. 소프트웨어 개발자의 경우 소프트웨어 수준에서 어셈블리 언어에 더 많이 노출되며 프로그래머는 어셈블리 언어 명령을 통해 컴퓨터를 제어 할 수 있습니다. 컴퓨터 소프트웨어와 하드웨어 아키텍처는 계층 적이며 고급 언어의 발달과 GUI의 등장으로 더 많은 사람들이 컴퓨터를 편리하게 사용할 수있게되었습니다. 프로그래밍 언어가 점점 더 "고급"되고 소프트웨어가 점점 더 화려 해지더라도 여전히 CPU의 거대한 트랜지스터를 통해 작동하고 명령 세트를 호출해야합니다.

Intel이 8086 프로세서를 개발 한 이래 x86 명령어 세트가 형성되기 시작했습니다. 그 이후 Intel은 80286 및 80386과 같은 프로세서를 도입했습니다. Intel의 프로세서는 1985 년에 32 비트 80386으로 개발되었지만 여전히 x86을 사용합니다 . 아키텍처 및 그 후 오랫동안 80386에서 채택한 명령어 세트, 프로그래밍 모델 및 바이너리 형식은 모든 32 비트 x86 프로세서에 여전히 필요합니다.이를 x86 또는 IA-32, 통합 명령어 세트, 프로그래밍 모델 및 바이너리는 또한 x86 명령어 세트 아키텍처를 가진 프로세서가 PC 시장을 지배하게합니다.

그 후 인텔과 같은 제조업체는 부동 소수점 명령어와 같은 일부 명령어를 후속 제품에 추가하여 프로세서가 더 높은 컴퓨터 성능에 대한 사람들의 요구를 충족 할 수 있도록했습니다. 새로운 세기가 도래 한 후 최신 x86-64 명령 세트가 개발되어 기존의 32 비트 x86 명령 세트와도 호환됩니다. 동시에 Windows 10 및 Linux 커널 기반 대부분의 운영 체제도 32 비트 호환성을 제공합니다.


AMD의 x86-64 사양, 위키 백과 에서 가져온 사진

그러나 x86 명령 세트가 기본 x86 명령 세트에서 컴퓨터의 모든 작업을 만족시킬 수없는 경우 CPU 명령 세트 설계자는 소프트웨어 개발자가 개발할 수 있도록 몇 가지 유용한 명령 세트를 x86 명령 세트에 추가했습니다. 그러나 컴퓨터 멀티미디어 시대가 도래함에 따라 사용자는 컴퓨터 성능에 대한 요구 사항이 점점 더 높아지고 있으므로 병렬 컴퓨팅 및 기타 요구 사항을 충족하기 위해 프로세서 설계 제조업체는 확장 된 명령 집합 (Extended Instruction Set)을 개발하기 시작했습니다. ) x86 명령어 세트 외에) 이러한 명령어 세트에는 일반적으로 강력한 병렬 컴퓨팅 기능이있어 일부 작업의 속도를 크게 가속화 할 수 있으므로 멀티미디어 처리와 같은 많은 작업이 필요한 작업을 수행 할 수 있습니다. 1998 년 AMD의 K6-2 아키텍처가 출시 된 이래로 3D! Now 및 MMX와 ​​같은 확장 명령 세트가 차례로 CPU에 추가되어 CPU의 일반적인 병렬 컴퓨팅 기능이 더욱 강력 해졌습니다. 지금까지 Intel과 AMD는 SSE (Streaming SIMD Extensions), VT-x (Intel Vertualization), AES-IN (Advanced Encryption Standard Instruction Set)), AVX (Advanced Vector Extensions, 고급 벡터 확장), 이러한 명령어 세트는 프로그래머에게 영향을 줄뿐만 아니라 이러한 확장 된 명령어 세트를 사용하여 프로그램을 작성함으로써 작업을 가속화하고,보다 안정적이고 강력하며 실용적인 소프트웨어를 제공 할 수 있으며, 일반 사용자의 경우에도 경험할 수 있습니다. 이러한 소프트웨어 응용 프로그램을 통해 확장 된 명령 집합이 가져 오는 이점 특정 응용 프로그램의 경우 일상 생활에서 어떤 명령 집합을 사용합니까?


인텔 코어 i9-9900K


AMD Ryzen 7 2700X

첫 번째 범주 : 기본 컴퓨팅 x86, x86-64 및 EM64T 등

인텔이 8086 프로세서를 도입 한 후 x86 명령 세트 (x86 명령 세트)가 형성되었습니다. 8086/8088 프로세서에서 원래 x86 명령어 세트는 주로 ADD (데이터 추가), DIV (데이터 분할) 및 기타 데이터 작업, AND (논리적 추가), OR (논리적 또는) 등의 데이터 작업에 사용됩니다. 논리 연산, MOV (CPU 내에서 또는 CPU와 내부 메모리 사이에서 데이터 전송), JMP (점프) 및 기타 명령어, 이러한 기본 명령어는 원래 x86 명령어 세트를 구성합니다.

그 이후 Intel과 다른 제조업체는 X86 명령어 세트를 확장하여 많은 스택 및 상태 명령어를 추가했습니다. 이러한 명령이 증가함에 따라 프로세서는 몇 가지 기본 작업과 논리적 판단을 신속하게 수행 할 수 있습니다.

2001 년 이후 AMD는 x86-64 명령어 세트를 도입했으며 그 이후 x86 아키텍처 프로세서는 64 비트 시대에 접어 들었습니다. 나중에 Intel은 EM64T 명령 세트를 도입했습니다. 모든 범용 레지스터가 32 비트에서 64 비트로 확장되고 가상 메모리 주소 공간과 물리적 주소 공간이 크게 확장되어 프로세서 운영 효율성 향상에 기여합니다.


x86-64 명령어 세트를 지원하는 최초의 프로세서, AMD Opteron (Optical Dragon), Wikipedia 사진

그런 다음 x86 이상 x86-64 및 EM64T는 주로 데이터 작업, 데이터 작업 및 논리적 판단과 같은 컴퓨터 작업의 기본 작업에 사용됩니다. 기본 데이터 작업, 데이터 작업 및 논리적 판단을 실행할 때 컴퓨터에 기본적인 기본 컴퓨팅 기능과 논리적 판단 기능을 제공하는 프로세서의 x86 명령어 세트를 사용합니다. 그러나 프로세서의 병렬 컴퓨팅 추세로 인해 이러한 명령어 세트는 현재 프로세서에서 더 많은 컴퓨팅 작업을 담당합니다.

두 번째 범주 : SIMD 명령어 세트, SSE 시리즈, AVX 시리즈가 있습니다.

프로세서 데이터 처리 기능에 대한 수요가 증가함에 따라 더 큰 데이터 볼륨과 더 복잡한 계산에도 불구하고 x86 명령어 세트를 사용하는 것만으로는 더 이상 수요를 충족하기에 충분하지 않습니다. 따라서 AMD K6-2 프로세서 출시 이후, SIMD 멀티미디어 명령어 세트 프로세서의 부동 소수점 벡터 연산 및 병렬 처리 기능의 출현이 크게 향상되었습니다.

초기 3D! Now 및 MMX 명령어 세트가 시작되었을 때 컴퓨터의 3D 그래픽 기능이 강하지 않았기 때문에 그 당시 MMX 및 기타 명령어 세트는 3D 및 2D 계산을 가속화했습니다. 그리고 나중에 소개 된 SSE 시리즈 명령어 세트와 AVX 명령어 세트의 출현으로 초기 64 비트에서 최신 512 비트 AVX512 시리즈 명령어 세트까지 데이터를 처리하는 CPU의 폭은 프로세서의 병렬 컴퓨팅 기능을 향상시키는 것입니다. 2010 년을 노드로 사용하면 이전 모델은 SSE 시리즈이고 그다음은 AVX 시리즈입니다.


Wikichip의 사진

예를 들어 3D 연산은 GPU로 계산되지만 작은 데이터에 대한 강력한 병렬 컴퓨팅 기능으로 인해 프로그래밍 모델은 사용하기가 더 쉽고 여전히 널리 사용됩니다. 데이터 폭이 증가함에 따라 현재 인기있는 인공 지능 애플리케이션이 가속화 될 수 있습니다.

이러한 SSE와 AVX가 합쳐진 이유는 차이점이 많지만 모두 SIMD (단일 명령어 다중 데이터 스트림) 명령어 세트이기 때문에 AVX는 SSE 명령어 세트의 연속으로 간주 될 수 있기 때문입니다.

멀티미디어 애플리케이션

더 많은 2D 및 3D 계산이 이제 GPU에서 처리되지만 계산을 위해 프로세서에서 SSE와 같은 명령 세트를 사용하는 멀티미디어 애플리케이션이 여전히 있습니다. 비디오 인코딩 및 디코딩을위한 특수 처리 장치가 있지만 SSE 및 AVX 명령어 세트를 사용하는 비디오 인코딩 및 디코딩 응용 프로그램이 여전히 있습니다. 예를 들어 유명한 오디오 및 비디오 처리 소프트웨어 FFmpeg에는 오디오 및 비디오 처리를 위해 SSE 명령 세트를 사용하는 코덱이 있습니다. 또한 x264, x265 비디오 인코더는 AVX2 또는 AVX-512를 사용하여 인코딩 속도를 높일 수도 있습니다.


비디오 압축 소프트웨어는 SSE2 명령어 세트를 사용합니다.

기술의 발전과 함께 우리가 탐색하는 웹 페이지는 점점 더 화려 해지고 있습니다. 사진, 비디오 등은 우리에게 풍부한 콘텐츠를 보여줍니다. 또한 이러한 콘텐츠는 SSE와 같은 명령 집합을 통해 웹 페이지를 렌더링하기 위해 더 많은 컴퓨팅 성능이 필요합니다. 및 기타 콘텐츠. 예를 들어, 2014 년 이후 일반적으로 사용되는 Chrome 브라우저는 SSE2 명령어 세트가있는 프로세서 만 지원합니다 (Chromium 커널은 많은 국내 브라우저에서도 사용됨). FireFox 브라우저는 버전 49 이후의 SSE2 명령어 세트가있는 프로세서 만 지원합니다.


Chrome 브라우저의 현재 버전이 75로 변경되었습니다.

암호화 및 암호 해독 작업

SSE와 같은 SIMD 명령어 세트는 원래 3D와 같은 멀티미디어 작업을 가속화하도록 설계되었지만 대용량 병렬 데이터에 대한 슈퍼 프로세싱 기능과 더 넓은 데이터 폭을 통해 더 많은 작업을 수행 할 수있었습니다. 데이터 정보 보안이 점점 더 중요 해짐에 따라 점점 더 많은 암호화 및 복호화 애플리케이션이 인코딩 및 디코딩 작업에 SSE 및 AVX 명령 세트를 사용합니다. 예를 들어, 일반적인 OpenSSL은 암호화 기능을 최적화하기 위해 AVX 및 AVX2 명령어 세트를 사용합니다. Ubuntu와 같은 운영 체제에서 사용되는 Linux 커널은 AES-GCM과 같은 다중 암호화 알고리즘의 최적화 된 구현으로 AVX 또는 AVX2 명령 세트를 사용합니다. 더 높은 명령 세트의 실현을 통해 암호화 및 복호화 작업을 더 빠르게 수행 할 수 있으며 독립적 인 AES-IN 명령 세트에 비해 더 다양하며 소프트웨어 개발자는 명령 세트에 특별한 조정을 할 필요가 없습니다.

데이터 직렬화

모바일 인터넷의 발달과 함께 모바일 장치도 많은 데이터를 생성하고 있습니다. 그리고 이러한 데이터에는 공통 XML (확장 가능한 마크 업 언어), JSON (경량 데이터 교환 언어)과 같은 특정 형식이 있습니다. 데이터를 수신하는 모바일 장치인지 서버인지에 관계없이 데이터를 구문 분석해야합니다. 형식이 고정되어 있기 때문에 막대한 양의 데이터를 병렬로 구문 분석 할 수 있으므로 프로그램이 필요한 데이터를 얻을 수 있습니다.


JSON 형식의 데이터

이미 SSE 명령어 세트를 사용하는 데이터 분석 프로그램이 일부 있으며, 이러한 프로그램 코드는 일부 응용 프로그램에서 수집 된 데이터를 매우 빠르고 효율적으로 분석하고 사용자에게 데이터를 제공하는 데 사용됩니다.

경기

오늘날 SSE 및 AVX 명령 세트는 게임에서 널리 사용됩니다. 게임 화면에는 좌표와 같은 많은 양의 데이터가 필요하기 때문에 SSE 명령 집합을 사용하는 좌표와 같은 벡터 데이터는 이러한 데이터를 처리하는 가장 좋은 방법입니다. 일반적으로 프로그램의 병렬 프로그래밍은 행렬 곱셈과 같은 게임에서 일반적으로 사용되는 작업의 속도를 높일 수 있으므로 일부 게임 개발자는 이러한 작업을 가속화하기 위해 특수 수학 라이브러리를 개발합니다.


CryEngine 개발 소프트웨어 인터페이스, CryEngine의 사진

게임을 최적화하는 것 외에도 일부 개발자는 암호화를 위해 Denuvo, VMPortect 등을 사용합니다. Denuvo 및 VMPortect는 암호화를위한 AVX 명령어 세트와 같은 프로세서 지원이 필요합니다. Ubisoft에서 이전에 출시 한 "Assassin 's Creed : Odyssey"의 원래 버전은 실행하려면 AVX 명령 세트를 지원하는 프로세서가 필요하지만 플레이어가 Ubisoft에보고하자 Ubisoft는이 "문제"를 수정했습니다. 그 이후로 많은 게임이 VMProtect를 채택했기 때문에 플레이어가 향후 게임을 실행해야하는 경우 프로세서에서 지원하는 명령 세트에주의를 기울여야합니다. Intel의 1 세대 Core 프로세서 (예 : Core i7-920)는 SSE4.2 명령 집합을 지원하고 2 세대 Core 프로세서 (예 : Core i7-2600K)는 공식적으로 AVX 명령 집합을 지원하므로 플레이어는 성능뿐만 아니라 향후 게임에서 지원해야하는 지침 세트 (정품 지원)도 고려해야합니다.


당시 Ubisoft의 대응

과학 컴퓨팅 및 인공 지능

과학 컴퓨팅은 대부분의 사용자에게 상대적으로 길지만 컴퓨터의 가장 중요한 응용 프로그램 중 하나이기도합니다. 과학 컴퓨팅에는 일반적으로 강력한 병렬 컴퓨팅 기능이 필요하며 이러한 응용 프로그램도 부동 소수점 집약적 인 응용 프로그램이므로 SSE 및 AVX 명령어 세트는 이러한 응용 프로그램을 가속화 할 수 있습니다.

현재 인기있는 인공 지능은 기계 학습 작업에 CPU를 사용할 때 AVX와 같은 병렬화 된 명령 집합도 학습 속도를 가속화 할 수 있습니다. 잘 알려진 머신 러닝 프레임 워크 TensorFlow를 사용하려면 프로세서가 버전 1.6부터 적어도 AVX 명령어 세트를 지원해야합니다. 또한 최신 Ice Lake-U 프로세서에 내장 된 Intel의 내장 AVX-512 명령 세트는 기계 학습도 최적화합니다.

탐지 및 처리 성능, 실행 지점

이러한 명령어 세트로 구성된 특정 프로세서 아키텍처의 구현으로 인해 이러한 명령어 세트를 사용하는 소프트웨어는 실행시 CPU가 높은 부하로 실행되도록하므로 특별히 작성된 소프트웨어를 사용하여 이러한 명령어 세트를 실행 한 다음 실행을 정량화합니다. 시간 등 프로세서 성능을 테스트 할 수 있습니다.


AIDA64 소프트웨어

AIDA64, CINEBench 등과 같이 일반적으로 사용되는 많은 테스트가 이러한 명령어 세트를 사용하며 최종 테스트에서 얻은 점수를 프로세서 성능을 판단하는 표준으로 사용할 수 있습니다.

위의 응용 프로그램은 모두 우리가 사용하며 많은 프로그래밍 언어 코드 라이브러리에는 SSE 및 AVX 명령 세트를 지원하는 인터페이스가 있으며 이러한 명령 세트는 매우 다양하므로 향후 더 많은 응용 프로그램이있을 것입니다. 이러한 명령 세트는 프로그래밍됩니다. , 우리는 또한 이러한 명령어 세트의 장점에 감사 할 것입니다.

세 번째 범주 : 가상화 명령 세트 Intel, 가상 머신 애플리케이션

가상화 기술은 새로운 기술이 아닙니다. 1960 년대 말에 IBM Corporation은 하드웨어 위에 소프트웨어 추상화 계층 세트를 추가하여 컴퓨터 하드웨어를 하나 이상의 가상 머신 (Virtual Machine)으로 분할했습니다. 그리고이 컴퓨터 자원 분할 기술이 가상화 기술입니다.

현재 x86 명령 집합 아키텍처를 사용하는 대부분의 프로세서는 하드웨어 추상화 수준 가상화 기술을 사용합니다.이 제한된 하드웨어 가상화 기술을 통해 가상 시스템 소프트웨어는 여러 공급 업체의 프로세서 및 메모리 특성을 숨기고 가상 시스템에 대한 추상화를 제공합니다. 그리고 통합 가상 플랫폼 .

Intel과 AMD는 2006 년 이후 프로세서에서 가상화 명령 세트를 제공했습니다. Intel은 VT-x, AMD는 AMD-V, 그리고 두 회사는 Direct Memory Access (DMA)에 대한 지원을 도입했습니다. 그리고 VT-d 및 AMD-Vi PCIe 장치에서 직접 액세스하는 기술. 이제 이러한 가상화 된 명령 세트는 현재 x86 명령 세트 아키텍처 프로세서에 효율적인 가상 머신을 제공 할 수 있습니다.

우리는 모두 가상 머신에 대해 들어 봤지만 실제로 가상화 기술도 사용합니다. 모바일 장치의 일부 응용 프로그램에서 사용되는 대부분의 서버는 프로세서 가상화 기술로 나누어 진 가상 머신입니다. 소프트웨어 개발자는 클라우드 서비스를 구매 한 다음 이러한 가상 머신에서 자체 프로그램을 실행하여 사용자에게 서비스를 제공합니다.


Alibaba Cloud Cloud Server ECS 엔트리 레벨


오픈 소스 Virtualbox

때때로 우리는 오픈 소스 Virtualbox, VMware Workstation 및 구매해야하는 기타 소프트웨어를 통해 자체 가상 머신을 설치 한 다음 가상 머신에 애플리케이션을 설치하여 로컬 머신에서 격리합니다. 예를 들어 정보 보안 연구원은 가상 머신을 통해 보안 연구를 수행합니다.

네 번째 범주 : 암호화 및 복호화 AES-IN 명령 세트와 같은 보안 명령 세트

오늘날 정보 보안 문제는 점점 더 두드러지고 있으며 데이터 암호화는 많은 사용자가 수행하는 작업입니다. 그러나 기본 명령을 통한 암호화 및 복호화 속도는 이상적이지 않으며 AES와 같은 명령 집합을 통해 병렬 암호화를 수행 할 수 있지만 속도를 추구하는 사람은 끝이 없습니다. 따라서 Intel과 AMD 모두 프로세서에 암호화 및 암호 해독을위한 명령 세트를 추가했습니다. Intel 프로세서에는 AES (고급 암호화 표준) 명령 세트가 있고 AMD에는 AES 명령 세트와 SHA (보안 해싱). 알고리즘) 명령 세트가 있습니다.

이 명령어 세트는 데이터 암호화 및 복호화 작업에 사용되며, AES 명령어 세트는 현재 널리 사용되는 AES (예 : AES 암호화를 지원하는 NAS 제품) 암호화 및 복호화 알고리즘을 가속화하는 데 사용됩니다. AMD에서 지원하는 SHA 명령어 세트는 SHA 암호화 및 암호 해독 알고리즘을 지원합니다. 이러한 명령어 세트를 추가하면 암호화 및 복호화 작업이 실시간으로 실행될 수 있으므로 실제 사용에는 영향을 미치지 않고 사용자 데이터 보안을 보장합니다.

다섯 번째 범주 : 다중 스레드 애플리케이션, TSX 트랜잭션 동기화 확장 명령 세트

TSX (Transaction Synchronization Extension)는 최근 새롭게 추가 된 명령어 세트로서 작고 투명한 존재입니다. Intel의 Haswell 아키텍처로 시작 하여 4 세대 Core 프로세서에서 사용할 수 있습니다. TSX 명령어 세트는 트랜잭션 코드의 예측 실행을 실현할 수 있으며 하드웨어는 충돌하는 메모리 액세스에 대해 여러 스레드를 모니터링하고 다중 스레드 소프트웨어의 실행을 가속화합니다.

그러나 겉보기에 아름다운 것들이 위험에 처할 수 있습니다 .2016 년 정보 보안 연구원들은 부 채널 공격을 통해 발견 된 TSX 취약점을 발견했습니다. Intel은 후속 프로세서에서이 취약점을 수정했습니다.

요약하자면

프로세서 명령어 세트 설계자가 더 이상 기본 x86 명령어 세트를 확장하지 않으면 확장 된 명령어 추가가 x86 프로세서 설계 공급 업체의 주류에 통합됩니다. 그리고 이러한 설계자들도 매우 원시적입니다. 이제부터는 공통 CPU의 명령어 세트가 모두 구체적으로 사용되며 컴파일러와 같은 소프트웨어 개발 도구에서 이러한 명령어 세트의 지원이 추가됨에 따라 더 많은 프로그램이 지원되기 시작하고 우리가 사용하는 소프트웨어는 더 높은 효율성으로 실행됩니다.


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