類數(shù)據(jù)流驅(qū)動的分片式處理器體系結構.pdf

1、納米工藝代微處理器設計中存在的功耗、線延遲和設計復雜度等問題嚴重地制約了傳統(tǒng)的程序執(zhí)行模型和處理器體系結構的發(fā)展。分片式處理器體系結構就是為了應對這些挑戰(zhàn)性問題而產(chǎn)生的，其基本思想是將計算、存儲和互連資源組織成片式的基本結構單元，這些片式單元是相對簡單的、分布式控制且可重用的；大量的片式單元由高能效、可擴展的片上網(wǎng)絡連接起來構成高效能的處理器。這種體系結構避免了片上長線延遲的產(chǎn)生，能夠充分利用摩爾定律發(fā)展帶來的豐富而廉價的晶體管資源，獲

2、得系統(tǒng)性能的提升。但目前分片式處理器體系結構還處于初級研究階段，有許多關鍵技術值得探討。
　　 本文分別從分片式處理器的程序執(zhí)行模型和體系結構兩個方面開展了深入的研究。主要研究內(nèi)容和成果包括：(1)研究了類數(shù)據(jù)流計算模型的原理，提出了一種適于分片式處理器體系結構的類數(shù)據(jù)流驅(qū)動程序執(zhí)行模型。在該程序執(zhí)行模型中，由編譯器將串行程序劃分成一系列包含幾十至上百條指令的超塊；程序的執(zhí)行以超塊為原子單位進行取指、執(zhí)行和提交。超塊內(nèi)部的計算采

3、用數(shù)據(jù)流表示，用數(shù)據(jù)流圖作為機器語言，向硬件顯式表達指令間的并行性，無需硬件動態(tài)檢測依賴，從而降低了硬件設計的復雜性；超塊間采用控制流表示，既可以有效地利用程序中的數(shù)據(jù)局部性，又可以進一步利用線程級推測并行性。(2)分析了類數(shù)據(jù)流驅(qū)動的分片式處理器體系結構的設計空間，研究了影響分片式處理器性能的關鍵因素。首先，為了提高分片式處理器上計算資源的利用率，分別從數(shù)據(jù)流和控制流的角度分析了激進推測執(zhí)行的可行性，并對推測深度給出了量化的標準；其次

4、，為了給分片式處理器選擇合適的互連網(wǎng)絡結構，分析了多種互連拓撲結構對處理器性能的影響；然后，為了緩解分片式處理器結構及其多跳式的互連結構可能對訪存造成的影響，分析了多種應用在分片式處理器的訪存特征，研究了數(shù)據(jù)預取機制對降低訪存延遲的作用；最后，為了更準確地探究應用對結構的需求，綜合分析了應用在類數(shù)據(jù)流驅(qū)動的程序執(zhí)行模型上的行為特征。(3)研究了分片式處理器的優(yōu)化設計方案，提出了一種既能充分挖掘并行性，又能有效降低通信代價的片式單元設計思

5、想。將單個片式單元的計算復雜度限制在應用潛在的指令級并行粒度上，同時，結合程序的通信局部性特征適當增大片式單元內(nèi)的局部通信相聯(lián)度，而無需改變整體的通信網(wǎng)絡設計。實驗表明，這種設計思想既能夠滿足應用對于指令級并行性的需求，又能夠有效地降低關鍵路徑上的數(shù)據(jù)流通信延遲。(4)基于該優(yōu)化設計方案，設計并實現(xiàn)了一種類數(shù)據(jù)流驅(qū)動的分片式處理器體系結構TPA-PI。TPA-PI處理器采用DISC-I指令集體系結構，遵循類數(shù)據(jù)流驅(qū)動的程序執(zhí)行模型。TP

6、A-PI在開發(fā)更大的指令級并行性、片式單元有限的計算能力以及日益嚴峻的線延遲約束之間為單個片式單元的設計找到一個較好的設計折衷點，使得TPA-PI設計具有較好的可擴展性。(5)在TPA-PI的軟件模擬環(huán)境上，評估了類數(shù)據(jù)流驅(qū)動程序執(zhí)行模型及TPA-PI體系結構設計的有效性。實驗結果印證了類數(shù)據(jù)流驅(qū)動的程序執(zhí)行模型與控制流執(zhí)行模型相比所具有的性能優(yōu)勢、片式單元的設計思想的正確性以及優(yōu)化后的TPA-PI體系結構設計的合理性。
　　

7、本文的研究工作獲得了如下一些重要的認識。首先，在分片式處理器體系結構設計中，程序執(zhí)行模型、處理器核粒度、片上互連模型以及目標應用的特征都是影響其性能的重要因素。其次，將類數(shù)據(jù)流驅(qū)動的程序執(zhí)行模型與分片式處理器相結合能夠有效地利用片上提供的大量計算資源，在利用數(shù)據(jù)流驅(qū)動執(zhí)行開發(fā)指令級并行性的同時，利用控制流的局部性開發(fā)更高層次的超塊級和線程級并行性，適應不同特征的應用的需求。
　　 本文的研究工作和結果可用于指導分片式處理器的體系