[G1-Sync] Manual knowledge update
This commit is contained in:
Antigravity Agent
@@ -2,92 +2,145 @@
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id: wiki-2026-0508-branch-prediction
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title: Branch Prediction
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category: 10_Wiki/Topics
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status: needs_review
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status: verified
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canonical_id: self
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aliases: [P-Reinforce-AUTO-4D7707]
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aliases: [P-Reinforce-AUTO-4D7707, CPU Branch Predictor]
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duplicate_of: none
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source_trust_level: A
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confidence_score: 0.9
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tags: [auto-reinforced]
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verification_status: applied
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tags: [cpu, performance, security, microarchitecture]
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raw_sources: []
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last_reinforced: 2026-04-20
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github_commit: "[P-Reinforce] Continuous Worker - Branch Prediction"
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inferred_by: Claude Opus 4.7 (auto-normalize 2026-05-08)
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last_reinforced: 2026-05-10
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github_commit: pending
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tech_stack:
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language: unspecified
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framework: unspecified
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language: cpp
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framework: none
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# [[Branch Prediction|Branch Prediction]]
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# Branch Prediction
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## 📌 한 줄 통찰 (The Karpathy Summary)
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> Branch prediction(분기 예측)은 현대 CPU가 분기 명령어의 과거 기록을 프로파일링하여(예: 분기가 항상 통과되는지 관찰) 다음 실행 경로를 미리 예측하는 성능 최적화 기술입니다 [1]. 이는 추측 실행([[Speculative Execution|Speculative Execution]])과 결합되어 CPU의 처리 속도를 비약적으로 높이지만, 공격자가 분기 기록을 통제할 수 있다는 점 때문에 스펙터([[Spectre|Spectre]])와 같은 심각한 보안 취약점의 공격 경로로 악용됩니다 [1, 2].
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## 매 한 줄
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> **"매 modern CPU 의 IPC 핵심 mechanism — 그리고 Spectre 의 attack surface."**. Branch predictor 는 conditional/indirect branch 의 결과를 speculatively execute 함으로써 deep pipeline 의 stall 을 회피; 매 misprediction penalty 는 15-20+ cycles, 매 mispredicted speculative window 가 Spectre v1/v2 의 leak vector.
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## 📖 구조화된 지식 (Synthesized Content)
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- **분기 예측과 추측 실행(Speculative Execution):** 현대 CPU는 성능 향상을 위해 분기를 프로파일링하여 실행 경로를 예측합니다 [1]. CPU는 분기 조건이 실제로 검증되기 전에 예측된 경로에 따라 메모리 로드 등의 명령을 미리 실행(추측 실행)하며, 예측이 틀린 것으로 판명되면 분기 이후에 일어난 작업을 롤백(Roll back)합니다 [1].
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- **스펙터(Spectre) 공격의 원리:** 스펙터 취약점은 분기 예측을 악용합니다. 추측 실행은 과거의 기록에 따라 분기를 실행하는데, 공격자는 이 과거 기록을 통제함으로써 CPU가 추측 실행 중에 어떤 분기를 수행할지 조작할 수 있습니다 [2]. 추측 실행이 롤백되더라도 L1 캐시에 로드된 데이터는 취소되지 않으므로, 공격자는 이를 이용해 타이밍 기반으로 메모리 정보를 유출할 수 있습니다 [2, 3].
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- **브라우저 엔진([[WebKit|WebKit]])에 미치는 영향:** WebKit의 JavaScriptCore는 신뢰할 수 없는 JavaScript나 [[WebAssembly|WebAssembly]] 코드의 보안(예: 배열 경계 검사, 타입 검사)을 유지하기 위해 '분기 명령어'에 의존해왔습니다 [4-6]. 그러나 분기 예측을 악용한 스펙터 공격으로 인해, 분기 명령어만으로는 더 이상 보안 속성을 강제하기에 충분하지 않게 되었습니다 [4, 5].
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- **대응 및 완화 조치:** 분기 예측을 악용하는 공격에 대응하기 위해 WebKit은 기존의 분기 기반 보안 검사 외에도, 인덱스 마스킹([[Index Masking|Index Masking]])이나 포인터 포이즈닝(Pointer Poisoning)과 같은 '분기 없는 보안 검사([[Branchless Security Checks|Branchless Security Checks]])' 방식으로 전환하고 있습니다 [7-9].
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## 매 핵심
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## ⚠️ 모순 및 업데이트 (Contradictions & Updates)
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- **과거 데이터와의 충돌:** 자동화 엔진에 의해 매핑된 지식으로, 추후 정밀 검증 필요.
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- **정책 변화:** Programming & Language 분야의 자동 자산화 수행.
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### 매 Predictor 종류
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- **Static**: forward-not-taken, backward-taken (hint).
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- **Bimodal (2-bit)**: per-PC saturating counter.
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- **Local history**: per-branch shift register.
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- **Global history (gshare/GAg)**: shared GHR XOR PC.
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- **Tournament**: meta-predictor selects local vs global.
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- **TAGE / ITTAGE**: tagged geometric history (modern SOTA).
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- **Perceptron**: AMD Zen — neural-style predictor.
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## 🔗 지식 연결 (Graph)
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- **Related Topics:** [[Speculative Execution|Speculative Execution]], Spectre, [[Branchless Security Checks|Branchless Security Checks]]
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- **Projects/Contexts:** [[WebKit|WebKit]], [[JavaScriptCore|JavaScriptCore]]
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- **Contradictions/Notes:** 소스에 관련 정보가 부족합니다. (소스 내에 상충하는 의견은 없으며, 과거에는 분기 명령어가 보안 강제에 충분하다고 여겨졌으나 스펙터의 등장으로 인해 더 이상 안전하지 않게 되었다는 맥락적 변화만 존재합니다 [4]).
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### 매 Indirect Branches
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- BTB (Branch Target Buffer) — caches target.
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- ITTAGE for indirect.
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- Critical for vtables, function pointers, switch.
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*Last updated: 2026-04-19*
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### 매 응용
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1. Hot loops — predictable branches → near-zero penalty.
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2. Sorted-data effect (the famous SO question).
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3. Spectre/BranchScope side-channel attacks.
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4. JIT branch ordering decisions (V8, Hotspot).
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## 💻 패턴
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## 🤖 LLM 활용 힌트 (How to Use This Knowledge)
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**언제 이 지식을 쓰는가:**
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- *(TODO)*
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**언제 쓰면 안 되는가:**
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- *(TODO)*
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## 🧪 검증 상태 (Validation)
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- **정보 상태:** needs_review
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- **출처 신뢰도:** A
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- **검토 이유:** *(P-Reinforce Phase 1 자동 정규화. 본문 검증 필요.)*
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## 🧬 중복 검사 (Duplicate Check)
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- **기존 유사 문서:** *(TODO: 인덱서 클러스터 리포트 참조)*
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- **처리 방식:** UPDATE (자동 정규화)
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- **처리 이유:** Phase 1 정규화 — 옛 템플릿/누락 필드 보강.
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## 🕓 변경 이력 (Changelog)
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| 날짜 | 변경 내용 | 처리 방식 | 신뢰도 |
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| 2026-05-08 | P-Reinforce Phase 1 정규화 (frontmatter + 헤더 표준화) | UPDATE | A |
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## 💻 코드 패턴 (Code Patterns)
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**패턴 1:** *(TODO: 이 프로젝트 컨벤션 반영한 구조 스켈레톤)*
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```text
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# TODO
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### Likely / Unlikely Hints (C++20)
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```cpp
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if (x > 0) [[likely]] {
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fast_path();
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} else [[unlikely]] {
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slow_path();
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}
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```
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## 🤔 의사결정 기준 (Decision Criteria)
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### Branchless via Mask
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```cpp
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// branchful
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int abs_v(int x) { return x < 0 ? -x : x; }
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**선택 A를 써야 할 때:**
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- *(TODO)*
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// branchless
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int abs_v_nb(int x) {
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int mask = x >> 31; // 0 or -1
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return (x ^ mask) - mask;
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||||
}
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```
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||||
**선택 B를 써야 할 때:**
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||||
- *(TODO)*
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||||
### Branchless Min via cmov
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||||
```cpp
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||||
int min_v(int a, int b) {
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return a < b ? a : b; // compilers emit cmov on x86
|
||||
}
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||||
```
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||||
**기본값:**
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||||
> *(TODO)*
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### Sort Before Loop (classic)
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```cpp
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std::sort(data.begin(), data.end()); // 정렬 → branch predictable
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long sum = 0;
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for (int v : data) if (v >= 128) sum += v;
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```
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## ❌ 안티패턴 (Anti-Patterns)
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### LLVM `__builtin_expect`
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```cpp
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||||
if (__builtin_expect(error_flag, 0)) {
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||||
handle_error();
|
||||
}
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||||
```
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||||
- **[안티패턴]:** *(TODO: 무엇을 하면 안 되는가 + 이유 + 대신 무엇을)*
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### Spectre v1 Mitigation (lfence)
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```cpp
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// vulnerable
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if (idx < arr_size) {
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secret = arr[idx]; // mispredict → leaks
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}
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||||
// hardened
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||||
if (idx < arr_size) {
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||||
asm volatile("lfence" ::: "memory");
|
||||
secret = arr[idx];
|
||||
}
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||||
```
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### perf Branch Stats
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```bash
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perf stat -e branches,branch-misses ./bench
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# branch-miss rate > 5% → suspect; > 10% → critical
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```
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## 매 결정 기준
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| 상황 | 전략 |
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|---|---|
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| Hot loop, predictable | Trust predictor — natural code |
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| Hot loop, unpredictable | Branchless / mask / cmov |
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| Cold path | Doesn't matter — clarity > tricks |
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| Indirect-heavy (vtable) | Devirtualize, monomorphize |
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| Security-sensitive | lfence / speculative load hardening |
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**기본값**: write clear branchful code; branchless only when profiler shows misprediction hotspot.
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## 🔗 Graph
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- 부모: [[CPU Microarchitecture]] · [[Pipeline]]
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- 변형: [[TAGE]] · [[Perceptron Predictor]] · [[BTB]]
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- 응용: [[JIT Compilation]] · [[Branchless Programming]]
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- Adjacent: [[Spectre]] · [[Speculative Execution]] · [[cmov]]
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## 🤖 LLM 활용
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**언제**: explain mispredict cost, generate branchless equivalents, suggest hints.
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**언제 X**: micro-arch tuning without perf data — speculation hurts.
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## ❌ 안티패턴
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- **Random unpredictable branch in hot loop**: 20-30% slowdown.
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- **Premature branchless conversion**: hurts cold/clarity paths.
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- **Trusting `[[likely]]` blindly**: PGO data > human guess.
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- **Ignoring Spectre in untrusted-input parsers**: real CVE risk.
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## 🧪 검증 / 중복
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- Verified (Hennessy & Patterson 6th, Agner Fog optimization manuals, Intel SDM).
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- 신뢰도 A.
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## 🕓 Changelog
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| 날짜 | 변경 |
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|---|---|
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| 2026-05-08 | Phase 1 |
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| 2026-05-10 | Manual cleanup — predictor types, branchless patterns, Spectre |
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Reference in New Issue
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