Speculative execution

Bei einer Speculative execution (englisch für ‚spekulative Ausführung‘) werden untätige Prozessor-Ressourcen verwendet, um für einen potentiellen zukünftigen Stand des Programmflusses Berechnung vorauszuführen und Ergebnisse bereitzuhalten.

Hintergrund

Speculative Execution ist eine Umsetzung der Auswertungsstrategie Eager execution (dt. eifrige Auswertung), des Gegenteils der Lazy Evaluation, auf Prozessorebene. Damit wird es dem Prozessor ermöglicht, dauerhaft mehrere Befehle parallel auszuführen, um effektiver und schneller zu arbeiten. Dies wurde auch deshalb eingeführt, um die immer paralleler vorhandenen Prozessorresourcen (mehrere Pipelines usw.) effektiver auszulasten.

Technik

Bei der Speculative execution werden in Phasen, in denen der Prozessor nicht voll ausgelastet ist, die folgenden Programmschritte (in der Programmflusszukunft) auf ihre Ausführbarkeit untersucht mit dem Ziel, den wahrscheinlichsten Weg des Programmflusses zu finden. Der wahrscheinlichste Ausführungsweg wird verfolgt, und die Ergebnisse werden als „spekulative Ergebnisse“ zwischengespeichert. Wenn das Programm an der Stelle angekommen ist, an dem es die Ergebnisse benötigt, stehen sie schon zur Verfügung und es muss nicht auf eine möglicherweise langwierige Berechnung gewartet werden. Die zwischengespeicherten Ergebnisse werden ausgelesen und das Passende ausgeführt, die Anderen werden verworfen. Durch dieses „Vorausschauen“ des Prozessors wird dessen Leistungsfähigkeit auch in Phasen geringerer Auslastung genutzt, um ihn bei hoher Auslastung später zu entlasten.

Nachteile

Ein Nachteil dieser Technik ist, dass Berechnungen auf Ausführungswegen, die sich als Fehlspekulation erweisen, ebenfalls in die Energiebilanz eingehen. Diese Berechnungen tragen nicht zu Rechenleistung bei und reduzieren damit die Rechenleistungseffizienz pro Watt. Für mobile Rechensysteme wie Laptops kann dies für die autarke Betriebszeit relevant sein, weshalb beispielsweise der Intel-Atom-Prozessor bewusst ohne diese Technologie entwickelt wurde.