流水线

从单周期到深度流水

最朴素的处理器每条指令独占整个时钟周期，执行时序是「取指→译码→执行→访存→写回」，五个步骤全部完成才开始下一条。把这五步变成流水线后，第一条指令进入译码时，第二条已经在取指，五条指令同时在五个阶段流动，理论吞吐翻五倍。Intel Pentium（1993）采用两条并行超标量流水线，Pentium 4 的 NetBurst 微架构为了提高频率把流水线拉到 31 级，代价是分支预测失败的惩罚高达 20 多个周期——这也是 NetBurst 在实际应用中效率不佳的原因之一。[1]

数据冒险与分支预测

流水线面临三类冒险。数据冒险：后一条指令依赖前一条还未写回的结果，解决方案是数据前递（forwarding），把执行阶段的输出直接旁路到下一条指令的输入，不必等写回。结构冒险：多条指令争用同一硬件资源，通过复制执行单元缓解。控制冒险最棘手：遇到条件分支时流水线不知道下一条该执行哪里，现代处理器用分支预测器（branch predictor）猜测跳转方向，Intel 的 TAGE 预测器预测准确率可达 97% 以上；猜错则清空流水线重新取指，代价即为「分支误预测惩罚」。

Spectre（2018）漏洞正是利用了分支预测和乱序执行的侧信道，攻击者通过训练预测器诱使 CPU 执行本不该执行的代码路径，再通过缓存时序侧信道读出秘密数据。这迫使各大 CPU 厂商在硬件和微码层面打补丁，部分场景性能下降 5～30%。