暗硅時(shí)代CoDA架構(gòu)可擴(kuò)展性及能效問(wèn)題研究.pdf

1、硅工藝朝著物理極限的不斷邁進(jìn)，導(dǎo)致了由摩爾定律和登納德定律組成的集成電路傳統(tǒng)縮放模型失效。在芯片功耗墻的限制下，人們發(fā)現(xiàn)在后登納德定律時(shí)代，芯片設(shè)計(jì)中存在使用墻問(wèn)題以及由此所觀察到的暗硅現(xiàn)象。更進(jìn)一步地，隨著工藝的持續(xù)進(jìn)步，暗硅現(xiàn)象會(huì)不可避免地急劇惡化，使得芯片設(shè)計(jì)進(jìn)入暗硅時(shí)代。
　　在暗硅時(shí)代，芯片上可以在極限時(shí)鐘頻率下翻轉(zhuǎn)的晶體管的比例急劇下降，這使芯片上出現(xiàn)大量無(wú)法有效利用的晶體管。這些不斷增加的無(wú)法使用的晶體管，導(dǎo)致在設(shè)計(jì)

2、芯片時(shí)功耗和能耗與芯片的面積相比更為重要。這種設(shè)計(jì)思路的轉(zhuǎn)變導(dǎo)致了利用暗硅來(lái)?yè)Q取高能量效率的新型體系結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，大量集成異構(gòu)專用協(xié)處理器就是其中之一。
　　單個(gè)專用協(xié)處理器與通用處理器相比可以提高10倍以上的能量效率，使得集成少量專用協(xié)處理器的系統(tǒng)能量效率大大提高。但常見(jiàn)的系統(tǒng)具有大量不同的應(yīng)用負(fù)載，為了提高這樣系統(tǒng)的能量效率，架構(gòu)師需要集成大量的異構(gòu)專用協(xié)處理器并調(diào)度軟件到專用協(xié)處理器上執(zhí)行。這使得最終系統(tǒng)架構(gòu)成為CoDA（C

3、oprocessor-Dominated Architecture)。
　　本文緊緊圍繞作者作為GreenDroid和暗硅團(tuán)隊(duì)成員在加州大學(xué)圣迭戈分校工作期間，所進(jìn)行的論證CoDA架構(gòu)設(shè)計(jì)合理性、可擴(kuò)展性、能量效率、發(fā)現(xiàn)解決未來(lái)CoDA架構(gòu)實(shí)現(xiàn)所遇到的潛在問(wèn)題展開(kāi)，進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的創(chuàng)新性工作：
　　(1)研宄了CoDA對(duì)應(yīng)用的適用性，并以此說(shuō)明CoDA適合暗硅時(shí)代。本文分析了安卓移動(dòng)軟件棧，發(fā)現(xiàn)大部分應(yīng)用是基于共享原生庫(kù)

4、和虛擬機(jī)的，硬件化這部分軟件就可以使得應(yīng)用的大部分運(yùn)行在專用協(xié)處理器上。之后重點(diǎn)分析了安卓瀏覽器，并使用硅構(gòu)造專用協(xié)處理器實(shí)現(xiàn)了這個(gè)瀏覽器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在22 n m工藝下7mm2的硅面積用于構(gòu)造專用處理器就可以覆蓋瀏覽器90％的運(yùn)行。使用可接受的硅面積就可以覆蓋應(yīng)用執(zhí)行，證明了CoDA架構(gòu)適合暗硅時(shí)代。
　　(2)針對(duì)快速探索CoDA設(shè)計(jì)空間的需求，提出了CoDA架構(gòu)分析模型，并對(duì)本文提出的多維度可擴(kuò)展CoDA架構(gòu)進(jìn)行建模。該架

5、構(gòu)可以由不同數(shù)量的瓦片組成，每一個(gè)瓦片可以包含不同數(shù)量的函數(shù)粒度專用協(xié)處理器，并且每一個(gè)專用協(xié)處理器都可以是異構(gòu)的。分析模型用來(lái)評(píng)估每一種特定CoDA架構(gòu)的能量、面積和性能；模型參數(shù)既包含了高層次的體系結(jié)構(gòu)參數(shù)，也包含低層次的電路實(shí)現(xiàn)參數(shù)。
　　(3)探索了CoDA架構(gòu)在不同Cache配置、瓦片大小、粗粒度能耗管理策略以及晶體管實(shí)現(xiàn)等參數(shù)下的能量效率問(wèn)題。在最優(yōu)化的參數(shù)條件下，與通用架構(gòu)相比小規(guī)模CoDA設(shè)計(jì)可以帶來(lái)5.3倍的能量

6、效率優(yōu)化和5倍的能量延時(shí)積（energy-delay product，EDP)優(yōu)化；而對(duì)于支持上百個(gè)應(yīng)用的大規(guī)模CoDA設(shè)計(jì)，可以帶來(lái)3.7倍的能量效率優(yōu)化和3.5倍的EDP優(yōu)化。這說(shuō)明為大規(guī)模應(yīng)用而設(shè)計(jì)的大規(guī)模CoDA擴(kuò)展是有效的。此外，本文發(fā)現(xiàn)CoDA設(shè)計(jì)即使采用了激進(jìn)的能耗管理策略，漏電功耗所占總功耗的比例仍然隨CoDA規(guī)模增大而增大。
　　(4)探索了并發(fā)執(zhí)行對(duì)CoDA能量效率的影響。積極的影響是這些同時(shí)運(yùn)行的程序或線程可

7、以分?jǐn)偮╇姽牡裙潭ǖ拈_(kāi)銷，這樣可以提高系統(tǒng)的能量效率。消極的影響是，當(dāng)驅(qū)動(dòng)CoDA生成的目標(biāo)應(yīng)用集合和實(shí)際運(yùn)行的應(yīng)用集合不匹配時(shí)，會(huì)造成大量程序競(jìng)爭(zhēng)某些專用協(xié)處理器，系統(tǒng)的平均能量效率將大大降低。本文提出CoDA架構(gòu)集成覆蓋多個(gè)函數(shù)功能的融合QsCore來(lái)減少競(jìng)爭(zhēng)沖突。實(shí)驗(yàn)表明使用融合QsCore的方式，僅僅增加41%的面積就可以提供2倍數(shù)量的專用協(xié)處理器，并使得非均勻分布負(fù)載的能量效率提高11.1%~22.1%。
　　(5)針