Branch Prediction（分支预测）
超标量需 前瞻发射；分支在 EX 才确定方向 → 不预测则每分支 stall 10–20+ 周期。分支预测 是让 IPC > 1 的关键组件。
分支惩罚量化
CPI ≈ 理想 CPI + 分支占比 × (1 - 准确率) × 惩罚
惩罚 ≈ 流水线深度（× 发射宽度，最坏情况）
示例：分支占 20%、15 级流水线、准确率 95%
→ CPI ≈ 1 + 0.2 × 0.05 × 15 = 1.15
准确率每降 1%，高发射宽度下可损失数个百分点性能 → Intel/AMD 在预测器上投入大量面积。
预测器演进
| 世代 | 机制 | 弱点 |
|---|---|---|
| 1-bit | 上次方向 | 循环入口/出口各错一次 |
| 2-bit 饱和 | 需两次错向才翻转 | 改善循环 |
| 局部历史 (BHT) | 每分支独立历史 | 别名冲突 |
| 全局历史 (GShare) | 全局分支模式 | 长历史需求 |
| 混合/TAGE | 多预测器 + 选择器 | 现代 CPU 标配 |
| BTB | 缓存分支目标地址 | 与方向预测配合 |
与推测执行
错误预测 → flush 流水线 + 重新取指 → 与 Out-of-Order Execution ROB 推测路径联动。
AI 加速器视角
- GPU：warp 内分支 divergence（SIMT mask）——详见 GPU SIMT Architecture
- WSE/LPU：编译器/spatial 调度 减少或消除运行时分支 → 无需大型 BTB/TAGE
- Deterministic 路径：见 Deterministic Execution
相关页面
- CPU Pipeline Fundamentals — 控制冒险来源
- Instruction-Level Parallelism — 推测与 ILP
- Out-of-Order Execution — 硬件推测 flush
- Superscalar CPU Research (2023-2026) — Bullseye H2P 旁路 TAGE（CBP-2025）
- GPU SIMT Architecture — CPU 分支预测 vs Warp divergence
Citations
[1] arch-study-30d-day-11.md — H&P Ch.3 分支预测（Day 11）