處理器Y-行為及其相關(guān)性能優(yōu)化的研究.pdf

1、隨著集成電路工藝的進(jìn)步，處理器系統(tǒng)的軟差錯(cuò)率 SER（Soft Error Rate）將急劇增加，其原因包括以下幾方面因素：一、晶體管工作電壓的降低減小了集成電路噪聲容限，使芯片更易受瞬態(tài)故障的影響；二、處理器主頻的提高使其故障率增加；三、集成度的提高使得芯片中晶體管數(shù)量呈指數(shù)性增長(zhǎng)，從而增加了芯片總體故障數(shù)量。據(jù) Premkishore預(yù)測(cè)，到2011年由于空間粒子輻射等原因造成的芯片軟差錯(cuò)率可以與現(xiàn)在不加任何防護(hù)措施的存儲(chǔ)器相比。近

2、年來(lái)，處理器系統(tǒng)的可信性問(wèn)題引起了業(yè)界極大關(guān)注，處理器的可信性已經(jīng)像高性能、低功耗一樣成為了人們關(guān)注的熱點(diǎn)。
　　Nicholas對(duì)分支指令的容錯(cuò)行為進(jìn)行了探索性研究，揭示了一個(gè)驚人屬性：大約40％的動(dòng)態(tài)分支和50%的誤預(yù)測(cè)分支指令的執(zhí)行結(jié)果不影響程序的正確性，并稱之為Y-分支。本文對(duì)Y-分支進(jìn)行擴(kuò)展，提出 Y-行為研究的課題。Y-行為即與處理器有關(guān)的容錯(cuò)行為，具體來(lái)說(shuō)是指處理器及其組成部件或者處理器中運(yùn)行的軟件本身所固有的容錯(cuò)行

3、為。本文對(duì)處理器Y-行為及其相關(guān)高性能優(yōu)化機(jī)制進(jìn)行深入研究，揭示處理器Y-行為，發(fā)掘其潛在的利用機(jī)制，促進(jìn)處理器容錯(cuò)技術(shù)與高性能技術(shù)的融合與發(fā)展。
　　首先，本文提出一種比較全面的處理器容錯(cuò)技術(shù)分類方法。在此基礎(chǔ)上，以處理器容錯(cuò)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)為線索，對(duì)目前流行的處理器結(jié)構(gòu)、微結(jié)構(gòu)容錯(cuò)機(jī)制，以及不同層次上有代表性的最新研究成果作了介紹和分析。并對(duì)處理器容錯(cuò)研究的技術(shù)趨勢(shì)及其發(fā)展方向進(jìn)行了總結(jié)，包括：處理器結(jié)構(gòu)/微結(jié)構(gòu)級(jí)容錯(cuò)行為的量化研

4、究，容錯(cuò)/高性能/低功耗技術(shù)的融合與均衡，處理器Y-行為研究與應(yīng)用等。
　　其次，通過(guò) Y-行為樹對(duì)Y-行為進(jìn)行了分類和描述，Y-行為可以分為軟件和硬件兩個(gè)不同的層次。處理器及其不同組成部件其 Y-行為各異，軟件層次 Y-行為不僅與應(yīng)用程序本身的特點(diǎn)有關(guān)，而且與程序運(yùn)行的處理器結(jié)構(gòu)直接相關(guān)。
　　在此基礎(chǔ)上，首先研究了分支預(yù)測(cè)器結(jié)構(gòu)級(jí) Y-行為。其次，通過(guò)在結(jié)構(gòu)級(jí)和指令級(jí)對(duì)應(yīng)地進(jìn)行故障注入，對(duì)具有代表性的桌面級(jí)和嵌入式應(yīng)用中

5、典型基準(zhǔn)分支指令的Y-行為，即 Y-分支進(jìn)行了深入研究，對(duì)軟件層次 Y-行為的結(jié)構(gòu)級(jí)因素進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和揭示。
　　再次，本文對(duì)程序結(jié)構(gòu)級(jí)控制無(wú)關(guān) Y-行為，即處理器的誤預(yù)測(cè)指令流重新匯聚到正確路徑設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)檢測(cè)機(jī)制，為控制無(wú)關(guān) Y-行為的性能優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。之后，圍繞高性能的主題，探討了基于控制無(wú)關(guān) Y-行為的兩種高性能優(yōu)化機(jī)制——指令級(jí)與基本塊級(jí)動(dòng)態(tài)重用，并描述了處理器微結(jié)構(gòu)的具體實(shí)現(xiàn)。
　　最后，提出了獨(dú)特的基于硬件實(shí)