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对称为缓存的本地存储器组进行更明智的管理可以提高计算机芯片的

发布时间:2019-06-07 02:47 来源:未知 编辑:admin

  计算机芯片越来越快,因为晶体管越来越小。但芯片本身就像以前一样大,因此在芯片周围以及芯片和主存储器之间移动的数据必须走得那么远。随着晶体管变得更快,移动数据的成本按比例变成更严重的限制。

  到目前为止,芯片设计人员已经通过使用“缓存”来规避这种限制 - 小存储库靠近存储常用数据的处理器。但是每个芯片的处理器数量 - 或“核心” - 也在增加,这使得缓存管理更加困难。此外,随着核心的激增,它们必须更频繁地共享数据,因此连接核心的通信网络也成为更频繁的僵局的站点。

  在最近的一篇论文中,麻省理工学院和康涅狄格大学的研究人员为大规模多核芯片开发了一套新的缓存策略,这些策略在模拟中显着提高了芯片性能,同时实际降低了能耗。

  在最近的ACM / IEEE国际计算机体系结构研讨会上发表的第一篇论文报告称,执行时间和节能25%的平均增益为15%。第二篇论文描述了一套互补的缓存策略,并将在IEEE高性能计算机体系结构国际研讨会上发布,报告分别增长了6%和13%。

  多核芯片上的高速缓存通常以层次结构排列。每个核心都有自己的私有缓存,它本身可能有多个级别,而所有核心共享所谓的最后一级缓存或LLC。

  芯片的缓存协议通常遵循“时空局部性”的简单但令人惊讶的有效原则。时间局部性意味着如果核心请求特定的数据,它可能会再次请求它。空间局部性意味着如果核心请求特定的数据,它可能会在主存储器中请求存储在其附近的其他数据。

  因此,每个请求的数据项以及紧邻它的那些数据项都存储在私有缓存中。如果它处于空闲状态,它最终将被最近请求的数据挤出,通过层次结构 - 从私有缓存到LLC到主存储器 - 直到它再次被请求为止。

  然而,在某些情况下,时空局部性的原理会被破坏。麻省理工学院电气工程与计算机科学系的研究生,主要作者乔治库里安说:“一个应用程序可以在很长一段时间内使用几千字节或几千兆字节的数据,这就是工作集。”两篇论文。“应用程序没有表现出良好的时空局部性的一种情况是工作集超过私有缓存容量。”在这种情况下,Kurian解释说,芯片可能会浪费大量时间在不同级别之间循环交换相同的数据。缓存层次结构

  在去年提交的论文中,Kurian; 他的顾问Srini Devadas,麻省理工学院电子工程和计算机科学的Edwin Sibley Webster教授; 康涅狄格大学电气和计算机工程助理教授,以及Devadas实验室的前博士后Omer Khan介绍了一种减轻这一问题的硬件设计。当应用程序的工作集超过私有缓存容量时,麻省理工学院研究人员的芯片将简单地将其分散在私有缓存和LLC之间。存储在任何一个地方的数据都会保持不变,无论它最近被请求了多少,都会阻止很多无效的交换。

  相反,如果处理相同数据的两个核心不断通信以保持其缓存副本一致,则芯片会将共享数据存储在LLC中的单个位置。然后,核心将轮流访问数据,而不是通过更新阻塞网络。

  新论文检查的情况是,相反,两个核心正在处理相同的数据,但不经常进行通信。LLC通常被视为单个大型存储库:存储在其中的数据仅存储一次。但在物理上,它以分散的块的形式分布在芯片上。Kurian,Devadas和Khan开发了第二个电路,可以将这些块视为私有缓存的扩展。如果两个内核正在处理相同的数据,则每个内核将在附近的LLC块中接收自己的副本,从而实现更快的数据访问。

  两篇论文中提出的系统都需要主动监控芯片的操作 - 例如,确定工作集何时超过某个界限,或者多个核心访问相同数据时。在每种情况下,该监控需要一些额外的电路,相当于LLC的约5%的面积。但是,Kurian认为,由于晶体管不断缩小,通信无法跟上,芯片空间并不像最小化数据传输那样至关重要。Kurian,Devadas和Khan目前也在努力将这两个监控电路结合起来,这样单个芯片就可以部署两篇论文中报告的缓存管理策略。

  “这是一项伟大的工作,”西北大学电子工程和计算机科学助理教授Nikos Hardavellas说。“它确实推动了最先进的技术发展。”Hardavellas解释说,现有的缓存方案确实以不同的方式处理不同类型的数据:例如,它们可能对程序指令和文件数据使用不同的缓存策略。“但如果你深入研究这些类别,你会发现数据的表现可能非常不同。过去,我们不知道如何有效地监控数据的有用性。[新]硬件设计允许我们这样做。这是贡献的重要部分。“

  此外,Hardavellas说,“两种不同的设计似乎协同作用,这表明两者结合的最终结果将优于各个部分的总和。”至于技术的商业化,“我看不到为什么不这样做的根本原因,“他说。“它们似乎可以实现,它们看起来足够小,它们给我们带来了巨大的好处。

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