邏輯核動(dòng)態(tài)可重構(gòu)的眾核處理器體系結(jié)構(gòu).pdf

1、隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，摩爾定律繼續(xù)有效，單塊芯片上集成的處理器核數(shù)將不斷增加；同時(shí)為追求更高的性能功耗比和性能面積比，眾核結(jié)構(gòu)成為芯片設(shè)計(jì)的必然選擇。眾核處理器中豐富的計(jì)算資源和高效的片上通信使得面向吞吐率的應(yīng)用具有天然的性能優(yōu)勢(shì)，但是由于處理器核粒度變小，在單核上執(zhí)行串行應(yīng)用的性能無(wú)法保證。為解決這一問(wèn)題，近年來(lái)具有邏輯核構(gòu)造能力的眾核處理器體系結(jié)構(gòu)研究備受關(guān)注，其基本思想是基于多個(gè)細(xì)粒度處理器核(稱為物理核)構(gòu)建粗粒度邏輯核，期望利

2、用眾核結(jié)構(gòu)豐富的計(jì)算資源，將不斷增加的處理器核轉(zhuǎn)化為單線程串行應(yīng)用的性能提升。目前已有的工作對(duì)這種眾核結(jié)構(gòu)的通信開銷處理、邏輯核粒度配置靈活性和應(yīng)用映射方式等方面尚缺乏深入的研究。
　　 本文針對(duì)細(xì)粒度眾核結(jié)構(gòu)上串行程序的有效執(zhí)行問(wèn)題，從執(zhí)行模型、微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)資源控制等幾方面展開深入探討，對(duì)于探索邏輯核動(dòng)態(tài)可重構(gòu)的眾核處理器體系結(jié)構(gòu)具有重要的學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用價(jià)值。本文主要研究?jī)?nèi)容和成果包括以下幾個(gè)方面。
　　 (1)研

3、究了具有邏輯核構(gòu)造能力的眾核處理器重構(gòu)開銷問(wèn)題，提出邏輯核動(dòng)態(tài)可重構(gòu)的眾核結(jié)構(gòu)FTPA(Flexible Tiled Processor Architecture)。FTPA采用類數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)執(zhí)行的指令集體系結(jié)構(gòu)，在不改變串行編程模型前提下，利用數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)和線程級(jí)推測(cè)相結(jié)合的執(zhí)行模型，同時(shí)開發(fā)單線程程序中的指令級(jí)并行和線程級(jí)并行。為解決眾核處理器邏輯核重構(gòu)開銷過(guò)大問(wèn)題，F(xiàn)TPA將物理核內(nèi)資源通過(guò)片上路由網(wǎng)絡(luò)劃分為易重構(gòu)的計(jì)算資源和不易重構(gòu)

4、的共享資源，從而使得邏輯核粒度能夠在兩個(gè)層面以兩種頻度進(jìn)行異步調(diào)整，具有高度靈活性。
　　 (2)研究了串行程序采用細(xì)粒度線程級(jí)推測(cè)執(zhí)行模型時(shí)，應(yīng)用推測(cè)執(zhí)行能力的實(shí)時(shí)評(píng)估機(jī)制。針對(duì)串行應(yīng)用不同執(zhí)行階段并行性特征存在的顯著差異，利用時(shí)間局部性，為眾核結(jié)構(gòu)邏輯核粒度動(dòng)態(tài)重構(gòu)進(jìn)行有效指導(dǎo)，本文提出基于“推測(cè)執(zhí)行階段”和“推測(cè)深度”概念的線程級(jí)推測(cè)執(zhí)行能力量化評(píng)估方法，并以此為基礎(chǔ)提出利用推測(cè)深度的局部歷史、全局歷史和錦標(biāo)賽三種推測(cè)執(zhí)行

5、能力評(píng)估器設(shè)計(jì)，只需要數(shù)十位存儲(chǔ)資源，就可以有效預(yù)測(cè)串行程序并行性變化趨勢(shì)，對(duì)推測(cè)深度作出有效估計(jì)。
　　 (3)研究了將推測(cè)執(zhí)行能力評(píng)估器用于指導(dǎo)FIPA眾核結(jié)構(gòu)邏輯核動(dòng)態(tài)重構(gòu)的有效性。為有效處理眾核結(jié)構(gòu)分布式執(zhí)行導(dǎo)致的通信開銷，以指令窗口和功能部件為核心的計(jì)算資源可以按照平鋪式和深度式兩種映射方式構(gòu)建邏輯核，從而適應(yīng)具有不同并行性特征的應(yīng)用。本文將線程級(jí)推測(cè)執(zhí)行能力評(píng)估器用于指導(dǎo)FTPA邏輯核動(dòng)態(tài)重構(gòu)，分別從平鋪式映射和深度

6、式映射兩方面對(duì)性能和資源利用進(jìn)行了詳細(xì)實(shí)驗(yàn)評(píng)估。結(jié)果表明，相對(duì)于采用固定粒度邏輯核的FTPA配置，動(dòng)態(tài)邏輯核重構(gòu)方式只需一半物理核計(jì)算資源就可以有效支持細(xì)粒度線程級(jí)推測(cè)執(zhí)行，性能降低不到13％，資源利用率顯著提高。
　　 本文的研究工作可以得出如下認(rèn)識(shí)：
　　 (1)邏輯核是眾核處理器上加速串行應(yīng)用的有效手段，但是將細(xì)粒度物理核資源耦合在一起需要高效的結(jié)構(gòu)支持，如本文提出的計(jì)算資源和共享資源的分離設(shè)計(jì)，平鋪式和深度式映射