片上多核系统高速缓存的功耗管控方法研究

摘要

随着集成电路工艺的进步以及计算机技术的不断发展，片上多核处理器正逐步取代传统的单核处理器成为未来的主流。然而由于芯片集成度的提高，芯片的功耗密度也越来越大，功耗问题已经成为制约高性能处理器进一步发展的瓶颈。而cache作为连接cpu以及主存之间的缓冲区，其在系统的数据传输及存储中发挥着重要作用。而且由于cache面积的不断增加，其在片上多核系统中所占的功耗比例也越来越大。因此降低cache的功耗对于优化整个片上多核系统的功耗有着至关重要的作用。
　　本文从程序的访存特性入手来优化片上缓存的功耗问题。在程序运行的过程中，通过统计发现可以将缓存的访问分为协议访问和数据访问两种类型，而且其中协议访问占据了几乎一半的访问空间。因此，我们提出了一种软硬件协同的缓存功耗管控方案。该方案是基于现有管控方案中电压门控技术和缓存衰退机制之上改进的一种管控方案，该方案可以在满足程序性能约束的前提下，极大程度上降低系统的功耗。
　　另一方面，在程序运行的过程中，通过跟踪线程的访存行为发现有些线程私有的数据被映射到了离线程较远的地址空间上。该访问特性导致了访问延时的增加以及网络拥塞所引起的网络功耗的增加。因此本文提出了一种线程私有数据地址空间重映射的算法，在一定程度上实现了系统的性能及功耗的双重优化。
　　最后，为了验证本文功耗管控方案的有效性，本文通过软件仿真器对该方案进行了仿真验证，同时也和现有的其他方案进行了对比。仿真结果表明，本文提出的方案可以在对系统造成低于3％的性能损失条件下，降低系统平均75%的功耗。此外，对多线程技术的优化运用到该方案上可以进一步降低系统约3%的网络功耗以及1%的性能损失。

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缩略词表

第一章 绪论

1.1研究背景与研究意义

1.2国内外研究现状

1.3本文研究内容及组织结构

第二章 片上多核系统高速缓存概述

2.1片上多核系统概述

2.2多核系统片上缓存功耗分析

2.3多核系统片上缓存功耗管控技术概述

2.4本章小结

第三章 基于最后一级缓存访问特性的功耗优化

3.1共享式Cache结构下的访存行为分析

3.2基于Gated-Vdd的硬件控制策略

3.3基于Cache Decay的软件控制策略

3.4本章小结

第四章 基于共享资源分配策略的cache功耗优化

4.1 多核系统多线程访存行为分析

4.2线程占有数据类型划分及资源分配公平性分析

4.3共享缓存线程私有数据地址空间的重映射

4.4本章小结

第五章 功耗管控方案的仿真实现及结果分析

5.1仿真平台的搭建

5.2仿真结果分析

第六章 总结与展望

6.1工作总结

6.2研究展望

致谢

参考文献

个人简历及攻读硕士学位期间的研究成果