| Περίληψη |
Στις αρχές του 21ου αιώνα, η βιομηχανία των επεξεργαστών έκανε μια θεμελιώδη στροφή προς αρχιτεκτονικές πολλαπλών πυρήνων, για να αντιμετωπίσει την φθίνουσα απόδοση των επιπλέον τρανζίστορ στην επίδοση των μονοεπεξεργαστών, και να ξεπεράσει τα προβλήματα κατανάλωσης ισχύος λόγω της αύξησης των συχνοτήτων ρολογιού. Οι τάσεις της βιομηχανίας των ημιαγωγών δείχνουν ότι έχει πλέον έρθει η εποχή των ενεργειακά περιορισμένων πολυπύρηνων επεξεργαστών. Τεχνολογικές προβλέψεις δείχνουν ότι η ενέργεια που καταναλώνεται για κίνηση δεδομένων και επικοινωνία θα κυριαρχήσει στον ενεργειακό προϋπολογισμό των μελλοντικών υπολογιστικών συστημάτων, επομένως, κάθε περιττή μετακίνηση δεδομένων θα μειώνει την διαθέσιμη ενέργεια για υπολογισμούς.
Το πιο δημοφιλές μοντέλο επικοινωνίας για πολυπύρηνες αρχιτεκτονικές είναι η κοινόχρηστη μνήμη. Οι διεργασίες και τα επεξεργαστικά νήματα που εκτελούνται ταυτόχρονα σε διαφορετικούς πυρήνες επικοινωνούν και ανταλλάσσουν δεδομένα προσπελαύνονται τις ίδιες καθολικές τοποθεσίες μνήμης. Ωστόσο, οι προσβάσεις σε μνήμη εκτός του τσιπ είναι αργές και ως εκ τούτου, οι επεξεργαστές χρησιμοποιούν μια ιεραρχία από ταχύτερες μνήμες εντός του τσιπ για να βελτιώσουν την ταχύτητα των προσπελάσεων μνήμης. Οι ιεραρχίες μνήμης σήμερα βασίζονται σε δύο κυρίαρχα σχέδια: (α) πολυεπίπεδες κρυφές μνήμες με πρωτόκολλα συνοχής, και (β) τοπικές μνήμες διαχειριζόμενες από το λογισμικό. Οι κρυφές μνήμες διαχειρίζονται την ιεραρχία μνήμης διαφανώς, το υλικό εφαρμόζει πολιτικές αντικατάστασης, και η επικοινωνία γίνεται εμμέσως, μέσω των πρωτοκόλλων συνοχής που χειρίζονται τη μεταφορά δεδομένων μεταξύ των κρυφών μνημών. Οι τοπικές μνήμες ελέγχονται από τον προγραμματιστή ή το λογισμικό εκτέλεσης και η επικοινωνία γίνεται ρητώς, μέσω προγραμματιζόμενων μηχανών άμεσης προσπέλασης μνήμης που εκτελούν τις μεταφορές δεδομένων.
Η διατριβή αυτή προτείνει αρχιτεκτονική υποστήριξη στην ιεραρχία μνήμης για να επιτρέψει στο λογισμικό να διαχειριστεί την τοπικότητα των δεδομένων που χρησιμοποιεί. Σχεδιάζουμε προγραμματιζόμενα στοιχεία υλικού που επιτρέπουν στο λογισμικό εκτέλεσης να ενορχηστρώσει την επικοινωνία και να μειώσει τη σχετιζόμενη κατανάλωση ενέργειας.
Παρουσιάζουμε μια υβριδική ιεραρχία μνήμης που λειτουργεί ταυτοχρόνως σαν κρυφή μνήμη, και σαν τοπική μνήμη διαχειριζόμενη από το λογισμικό. Παρέχουμε ενιαία υποστήριξη στο υλικό τόσο για έμμεση επικοινωνία, μέσω πρωτοκόλλων συνοχής, όσο και για ρητή επικοινωνία μέσω γρήγορων στοιχείων υλικού που υποστηρίζουν εικονικοποίηση. Εισάγουμε επίσης την διαχείριση κρυφής μνήμης μέσω 'εποχών', που επιτρέπουν στο λογισμικό να αναθέσει προτεραιότητες στα δεδομένα της κρυφής μνήμης, να καθοδηγήσει την πολιτική αντικατάστασης, και ουσιαστικά να διαχειριστεί την τοπικότητα των δεδομένων. Επιπλέον, σχεδιάζουμε μια προγραμματιζόμενη μηχανή ρητής προσκόμισης που επιτρέπει στο λογισμικό να μεταφέρει εγκαίρως, και με ακρίβεια, τα δεδομένα που θα χρειαστεί, με σκοπό την μείωση των καθυστερήσεων στις προσπελάσεις μνήμης, και την βελτίωση της τοπικότητας στην κρυφή μνήμη. Επιπροσθέτως, προτείνουμε στοιχεία υλικού που επιτρέπουν στο λογισμικό να διαχειριστεί την συνοχή των κρυφών μνημών σε συστήματα που δεν υλοποιούν πρωτόκολλα συνοχής, έτσι ώστε να επιτρέψουμε στο λογισμικό εκτέλεσης να ενορχηστρώσει την μεταφορά της πιο πρόσφατης έκδοσης των δεδομένων από τις κατάλληλες κρυφές μνήμες και να διατηρήσει την συνοχή στο επίπεδο των αντικειμένων του λογισμικού.
Αξιολογούμε τα προτεινόμενα στοιχεία υλικού συγκρίνοντας τα με υλικό που υλοποιεί πρωτόκολλα συνοχής κρυφών μνημών βασιζόμενα σε καταλόγους, και περιλαμβάνει μηχανές αυτόματης προσκόμισης. Τα πειραματικά μας αποτελέσματα για ρητή επικοινωνία δείχνουν ότι μπορούμε να βελτιώσουμε την επίδοση κατά 10% έως 40%, και ταυτόχρονα να μειώσουμε την κατανάλωση ενέργειας στην επικοινωνία εντός του τσιπ κατά 35% έως 70% λόγω της σημαντικής με¬ίωσης στην κυκλοφορία δεδομένων εντός του τσιπ, κατά παράγοντες 2 έως 4. Επιπλέον, χρησιμοποιούμε ένα σύστημα προγραμματισμού που βασίζεται σε έργα για να καθοδηγήσει το υλικό, και δείχνουμε ότι τα προτεινόμενα στοιχεία υλικού σε συστήματα με πρωτόκολλα συνοχής κρυφών μνημών βελτιώνουν την επίδοση κατά μέσο όρο 20%, μειώνουν την κυκλοφορία εντός του τσιπ κατά μέσο όρο 25%, και μειώνουν την κατανάλωση ενέργειας στην ιεραρχία μνήμης κατά μέσο όρο 28%. Σε συστήματα που δεν υλοποιούν πρωτόκολλα συνοχής κρυφών μνημών, η αρχιτεκτονική υποστήριξη που προτείνουμε βελτιώνει την επίδοση κατά μέσο όρο 14%, μειώνει την κυκλοφορία εντός του τσιπ κατά μέσο όρο 41%, και μειώνει την κατανάλωση ενέργειας στην ιεραρχία μνήμης κατά μέσο όρο 44%.
|
Architectural support for software-guided energy reduction of manycore communication
