[하드웨어 뜯어보기] CPU #10 - 분기 예측(Branch Prediction), 미래를 내다보는 두뇌

CPU는 어떻게 미래를 예측하고 멈춤 없는 사고 흐름을 유지할까?

핵심요약
CPU의 분기 예측(Branch Prediction)은 프로그램이 다음에 실행할 명령을 ‘미리 짐작’하는 기술입니다.
이 덕분에 CPU는 “생각이 끊기지 않는 두뇌”처럼 작동하며, 예측이 맞으면 놀라운 속도로 연산을 이어갑니다.
반대로 틀리면 ‘되감기(Flush)’가 필요해 성능 저하의 원인이 되기도 합니다.

 

Branch Prediction

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1. 개념 설명 - “CPU도 직감을 사용한다”

분기 예측은 CPU가 코드의 흐름 중 조건문(if)을 만났을 때, 어느 쪽으로 갈지를 미리 판단하는 과정입니다.

if (x > 0) {
    // ...
} else {
    // ...
}

 

위와 같은 코드에서 CPU는 x > 0이 참일지 거짓일지를 미리 예측해야 다음 명령을 준비할 수 있습니다.
“지난번에도 이 조건이 참이었으니까 이번에도 그럴 거야”라고 추론하는 식이죠.

 

CPU는 반복되는 패턴을 학습해 미래의 분기 방향을 예측하며,
이 과정 덕분에 파이프라인은 멈추지 않고 흐름을 이어갈 수 있습니다.

핵심 문장 : 분기 예측은 CPU의 직감 시스템으로, 사고의 연속성을 지키는 기술입니다.

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2. 핵심 구조 / 작동 원리

1) 분기 예측기(Branch Predictor)

CPU 내부 제어장치(Control Unit)에는 예측 회로(Branch Predictor)가 있습니다.
이 회로는 과거의 분기 결과를 저장하고, 다음 실행 시 어떤 방향으로 갈지 추정합니다.

2) BHT (Branch History Table)

BHT는 “이 주소의 분기는 보통 점프한다(Taken)” 또는 “안 한다(Not Taken)”를 기록한 표입니다.
단순하지만, 이 기록이 CPU의 예측 근거가 됩니다.

주소	최근 분기	결과예측
0x01	Taken	Taken
0x02	Not Taken	Not Taken

일부 CPU는 여기에 2비트 포화 카운터(2-bit Saturating Counter)를 사용합니다.
예측이 틀려도 한 번에 바꾸지 않고, “두 번 연속 틀릴 때만 방향을 바꾸는” 방식으로 더 안정적인 학습 효과를 냅니다.

3) BTB (Branch Target Buffer)

BTB는 예측이 맞았을 경우 점프할 명령 주소를 즉시 제공하는 캐시입니다.
CPU는 이 주소를 미리 불러와서 다음 명령을 이어 실행하므로
파이프라인의 흐름이 멈추지 않습니다.

4) 파이프라인과의 관계

파이프라인은 명령을 겹쳐서 실행하지만, 분기문이 등장하면 다음 명령이 무엇인지 확신할 수 없기 때문에 잠시 멈춥니다.
이때 예측기가 “이쪽이야!” 하고 알려주면, CPU는 그 길을 따라 미리 실행을 이어갑니다.

 

만약 예측이 틀리면, CPU는 이미 실행된 명령을 모두 폐기(Flush) 하고 올바른 경로로 되돌아가야 합니다.
이 과정에서 파이프라인을 비우고 다시 채우는(Refill) 시간이 필요합니다.
하지만 예측 정확도가 95% 이상으로 향상된 현대 CPU에서는 이 되감기 손실이 거의 눈에 띄지 않습니다.

핵심 문장 : 분기 예측은 파이프라인의 끊김을 방지해 CPU가 ‘미래를 이어서 생각’하게 만듭니다.

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3. 비유하자면 - “예상하고 행동하는 두뇌”

운전을 할 때 신호등이 노란색으로 바뀌면 우리는 이미 “곧 빨간불이 되겠구나” 하고 감속합니다.
CPU도 비슷합니다.
프로그램이 조건문에 접근하면 CPU는 이전의 경험을 떠올리며 미리 방향을 결정합니다.

 

예측이 정확할수록 CPU는 멈춤 없는 사고 리듬을 유지하지만,

틀리면 - 마치 빨간불인데 가속해 버린 것처럼 - 다시 브레이크를 밟고 되돌아가야 합니다.
이때의 손실이 바로 ‘파이프라인 플러시’입니다.

핵심 문장 : 분기 예측은 CPU의 반사신경처럼, 생각의 리듬을 끊김 없이 유지합니다.

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4. 기술 발전 과정

시대	주요 기술	특징
1980s	Static Prediction	단순히 “항상 점프한다/안 한다”로 고정 예측
1990s	Dynamic Prediction	실행 중의 결과를 학습하여 갱신
2000s	Two-Level Adaptive	최근 N회의 분기 패턴을 기반으로 예측 정확도 향상
2010s	Neural Predictors	신경망 기반으로 복잡한 흐름 학습
현재	Hybrid Predictor	여러 알고리즘을 조합해 상황별 최적 결과 선택

초기엔 단순히 “루프 안에서는 점프, 그 외엔 비점프” 수준이었지만, 오늘날 CPU는 수백만 개의 분기 패턴을 통계적으로 학습합니다.
일부 하이엔드 칩은 인공지능처럼 과거의 흐름을 벡터로 인코딩해 다음 분기를 예측하기도 합니다.

 

인텔 Pentium Pro 이후부터 AMD Zen 시리즈에 이르기까지, 분기 예측기는 CPU 성능 향상의 보이지 않는 엔진이 되어
“생각의 끊김 없는 속도감”을 만들어냅니다.

핵심 문장 : 분기 예측 기술은 ‘단순한 추측’에서 ‘학습하는 직감’으로 진화했습니다.

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5. 오늘날 활용 예시 - “AI도 예측, CPU도 예측”

스마트폰, 노트북, 서버에 이르기까지 모든 CPU는 이 기술을 활용해 연산의 흐름을 매끄럽게 이어갑니다.

• 게임 엔진: 다음 프레임의 계산 루틴을 미리 준비
• AI 추론 엔진: 반복적 조건문 최적화로 지연 최소화
• 웹 브라우저: 자주 실행되는 분기 경로를 캐싱

CPU의 예측력은 인간의 직감처럼 ‘리듬감 있는 연산 흐름’을 유지시켜 줍니다.

다시 말해 CPU는 논리와 경험이 결합된 사고 시스템으로 발전했습니다.
덕분에 사용자는 멈춤 없는 반응성과 자연스러운 프로그램 속도를 경험하게 됐습니다.

핵심 문장 : 분기 예측은 인간의 직감처럼 CPU 연산의 리듬을 만들어줍니다.

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6. 요약

• 분기 예측은 CPU가 조건 판단을 미리 예측해 파이프라인의 중단을 방지하는 기술
• BHT/BTB 같은 회로가 과거 데이터를 학습하며 정확도를 높임
• 예측이 맞으면 CPU는 연속적으로 명령을 실행하고, 틀리면 ‘되감기(Flush)’로 손실 발생
• 오늘날은 AI 기반 하이브리드 예측기로 정확도를 극대화

한 문장 요약 : 분기 예측은 CPU의 직감이자 미래 감각으로, 사고의 연속성을 지키는 기술입니다.

 

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7. 다음 편 예고

다음 글에서는 CPU가 한 번에 여러 명령을 동시에 실행하는 기술, 슈퍼스칼라(Superscalar) 구조를 살펴봅니다.

CPU가 어떻게 ‘여러 손으로 동시에 일하는 두뇌’로 진화했는지 알아봅니다.

 

다음 글 : [컴퓨터 과학] - [하드웨어 뜯어보기] CPU #11 - 슈퍼스칼라(Superscalar), 여러 손으로 동시에 일하는 두뇌

[하드웨어 뜯어보기] CPU #11 - 슈퍼스칼라(Superscalar), 여러 손으로 동시에 일하는 두뇌