基于DVFS技術的多核處理器性能和功耗預測模型研究.pdf

1、隨著半導體工藝技術的發(fā)展，處理器的片上資源不斷增多。囿于單核結構難以通過資源的堆砌及主頻的升高繼續(xù)提高性能，且存在功耗升高過快的問題，多核處理器應運而生，并得到廣泛應用。相對于單核處理器，多核處理器在一定程度上緩解了功耗問題，但效果有限。隨著片上資源密度的進一步增加，功耗問題仍將變得越來越嚴重，成為限制處理器進一步發(fā)展的瓶頸。因此，功耗問題是當前多核處理器面臨的首要挑戰(zhàn)。
　　動態(tài)電壓頻率調節(jié)（DVFS）技術和功耗門控（PG）技術

2、是處理器產品用于調節(jié)性能和功耗的重要手段。DVFS技術通過改變處理器的頻率和電壓來調節(jié)處理器的性能和功耗。PG技術通過對供電進行門控來消除空閑處理器核的功耗，通常與線程遷移技術共同使用。本文探索了DVFS技術和PG技術對商用處理器性能和功耗的影響，并為其建立了性能和功耗預測模型。本文提出的模型具有良好的實用性，可在商用處理器平臺上，應用于以DVFS和PG為手段的性能和功耗調整策略中。最后，本文以Power Capping場景為例討論了模

3、型的應用。本文取得的研究成果如下：
　　1.提出了一種跨越DVFS等級的性能預測模型LL-MAB。LL-MAB模型是Leading Loads方法在商用處理器中的首次實現(xiàn)。根據(jù)AMD處理器Cache中MSHR部件的特點，利用處理器現(xiàn)有硬件事件，在程序執(zhí)行過程中通過性能計數(shù)器統(tǒng)計Cache失效中所有Leading Load的累計時鐘周期數(shù)。程序的執(zhí)行時間包括計算時間和訪存時間。通過Leading Load的總時鐘周期數(shù)和處理器核的頻

4、率，可以得到訪存時間。然后，通過執(zhí)行時間和訪存時間，可以得到計算時間。最終，通過訪存時間、計算時間及其它各DVFS等級的頻率，預測該程序在其它各DVFS等級的執(zhí)行時間。LL-MAB模型具有易于實現(xiàn)的特點：無需進行數(shù)據(jù)擬合，且僅占用兩個性能計數(shù)器。使用SPEC CPU2006、PARSEC、NPB、Rodinia測試程序集，在Phenom-II X61090T、Opteron4386、A10-5800K三款AMD處理器中進行實驗，在2倍以

5、上的頻率差異下預測程序執(zhí)行時間，LL-MAB模型的性能預測精度在94.7％至97.3%之間。
　　2.提出了一種跨越DVFS等級的功耗預測模型PPEP。在多核處理器中，建立了適用于各個DVFS等級的功耗估算模型。功耗估算模型分為兩部分，包括基于溫度的空閑功耗估算模型和基于性能計數(shù)器的動態(tài)功耗估算模型。此后，依據(jù)兩個實驗觀察（每條指令對應的各硬件事件計數(shù)值在不同的DVFS等級之間存在的若干相等關系），并將功耗估算模型和LL-MAB性

6、能預測模型相結合，得到PPEP功耗預測模型。PPEP模型能夠跨越DVFS等級預測處理器的功耗。在AMD FX-8320處理器中，以SPEC CPU2006、PARSEC、NPB組成測試用例進行實驗，在5個DVFS等級間相互預測各用例的平均功耗，預測精度為95.8%。
　　3.提出了一種針對聚合多線程（CMT）體系結構的性能預測模型SCP。CMT體系結構是處理器中硬件多線程的一種實現(xiàn)方式，首先出現(xiàn)在AMD Bulldozer處理器中

7、。在這類處理器中，兩個硬件線程構成一個計算單元（CU）。不同于同時多線程（SMT）體系結構中所有計算資源都被各硬件線程共享，CMT體系結構為CU中的每個硬件線程保留了部分私有計算資源，包括定點計算單元、L1數(shù)據(jù)Cache等。此外的其它資源，如浮點單元、L1指令Cache、L2 Cache等，被CU中的兩個硬件線程共享。執(zhí)行程序時，若一個線程獨占CU，則稱為分離態(tài)執(zhí)行方式；若兩個線程分享CU，則稱為聚合態(tài)執(zhí)行方式。通過CU間的線程遷移，可

8、以改變程序與硬件資源的映射方式，從而調節(jié)處理器的性能和功耗。本文利用性能計數(shù)器監(jiān)測各線程對多種共享資源的使用情況，以線性回歸方式建立SCP性能預測模型。當兩個線程共享CU運行時，通過SCP模型可以預測它們各自獨占CU運行時的I PC；反之，當兩個線程各自獨占CU運行時，通過SCP模型也可以預測它們共享CU運行時的I PC。在AMD FX-8320處理器中，對29個SPEC CPU2006程序進行兩兩組合，驗證SCP模型的預測精度。從分離

9、態(tài)至聚合態(tài)的I PC預測精度為93.5%；從聚合態(tài)至分離態(tài)的I PC預測精度為93.8%。
　　4.提出了一種適用于CMT體系結構、能夠應對DVFS等級變化及CU間線程遷移的性能及功耗預測模型PPEP-SCP。PPEP-SCP模型通過PPEP模型和SCP模型融合而來，能夠跨越DVFS等級，同時跨越線程的分離態(tài)與聚合態(tài)預測處理器性能與功耗。因此，基于PPEP-SCP可以建立能夠同時利用DVFS、線程遷移+PG這兩種處理器性能和功耗調

10、節(jié)手段的策略。我們以Power Capping場景為例，建立了基于PPEP-SCP的Power Capping策略，該策略能夠同時利用上述兩種性能和功耗調整手段。同時，我們還建立了基于PPEP的Power Capping策略用于對比。實驗表明，PPEP-SCP在利用DVFS的同時，還能通過線程遷移利用PCUPG技術來調節(jié)處理器性能和功耗。因此，基于PPEP-SCP的Power Capping策略相對于基于PPEP的Power Cappi