多核处理器缓存优化关键问题研究 pdf下载

　　《多核处理器缓存优化关键问题研究》围绕多核体系结构，从片上网络、缓存一致性和可重构三个方面论述了影响多核存储系统性能的主要因素。《多核处理器缓存优化关键问题研究》的主要研究成果是由北京理工大学基三多核体系研究小组完成。基三多核体系结构TriBA（TripletBased Architecture）是北京理工大学石峰教授提出的一种新型的多核处理器结构，汇集了Tiled、流式处理器、PIM等先进多核体系结构的优点，是一款具有鲜明自主创新特色和原创性的多核处理器体系结构。

　　胡森森，北京理工大学计算机科学与技术工学博士，公派代尔夫特理工大学联合培养博士，重庆工商大学讲师。主持参与多项国家自然科学与社会科学基金项目，出版专著两部。主要研究领域：区块链背景下的信息管理技术、智能数据分析技术等。

图1-1 英特尔商用处理器中集成的晶体管数目
图1-2 采用2D Mesh拓扑结构的RAW处理器顶层设计
图1-3 Intel Knights Landing多核处理器的结构框图
图1-4 gzip和gcc执行过程中指令级并行度的阶段性变化
图1-5 可重构系统填补了通用处理器和专用集成电路的鸿沟
图1-6 共享和私有Cache混合组织方式
图1-7 两种常见的集中式布局的共享L2高速缓存
图1-8 Tile结构的分布式布局共享L2高速缓存
图1-9 广播一致性协议和目录一致性协议示意图
图1-10 片上网络常见的三种拓扑结构
图1-11 选择路／组为重构粒度的Cache组织方式
图1-12 TriBA的内核微体系结构示意图
图2-1 2D Mesh片上网络的三种布线拓扑结构
图2-2 TriBA-NoC核问通信网络以及节点编码方案
图2-3 TriBA存储层次的逻辑结构
图2-4 九核处理器存储网络中节点的编码
图2-5 2D Mesh和TirBA互连结构的底层特点
图2-6 CMesh和CTirBA互连结构的底层特点
图2-7 以Y型布局布线结构实现的九核TriBA处理器方案
图2-8 27核TriBA处理器的传统布局布线方式
图2-9 九核TriBA处理器矩形Tile曼哈顿布局布线示意图
图2-10 以矩形Tile方式采用曼啥顿布局布线实现27核TriBA处理器的示意图
图2-11 TriBA内部四端口存储控制器逻辑框图
图2-12 四端口路由器示意图
图2-13 TriBA网络的一个基本组连接示意图
图2-14 网络延迟比较
图2-15 网络吞吐量比较
图3-1 传统的三级层次化目录协议GETX操作过程
图3-2 传统层次化目录组织结构
图3-3 FCSL示意图
图3-4 64核Mesh的缓存一致性分组结构
图3-5 27核TriBA的缓存一致性分组结构
图3-6 目录控制器的有限状态机
图3-7 VC协议中读缺失和写缺失的事务处理过程
图3-8 VC目录组织结构
图3-9 27核三级分组层次化缓存一致性策略（逻辑示意图）
图3-10 VC-H的负载分配过程
图3-11 不同缓存一致性协议的目录存储开销
图3-12 缓存一致性协议的片上网络消息数量比较（结果以H-MESI归一化）
图3-13 缓存一致性协议的片上网络通信量比较（结果以Full-map归一化）
图3-14 缓存一致性协议的访问延时比较（结果以full-map归一化）
图3-15 缓存一致性协议的性能加速比比较（结果以HCD归一化）
图4-1 可重构缓存的组织结构
图4-2 JPEG在缓存重构时由于活动数据丢失引起的缺失率比较
图4-3 触发Cache重构的外部因素
图4-4 JPEG应用程序在运行过程中指令集并行度的变化
图4-5 Cache重构的过渡期机制示意图
图4-6 引尺过渡期机制与立即重构的Cache缺失率比较示意图
图4-7 Cache的Tag和掩码寄存器示意图
图4-8 R-LRU置换算法分析
图4-9 三种Downsize模式下Cache的缺失率（以立即重构方式为基准归一化）
图4-10 实际重构后对缺失率的持续性效果（过渡期为2000周期）
图4-11 执行时间分析（以立即重构为基准归一化）
图4-12 选择相同Cache路重构情况下，访存情况统计
图4-13 交替选择Cache路重构情况下，访存情况统计
图5-1 测试用例PgP和CRC32随发射宽度变化的footprint特征
图5-2 使用反馈来阻止缓存重构的示意图
图5-3 总体反馈机制框架示意图
图5-4 缓存监视器抽样示意图
图5-5 反馈控制环路
图5-6 在有无反馈机制两种策略下，各个发射宽度模式下的执行比例
图5-7 缓存缺失率比较（以无反馈机制的方法为基准归一化）
图5-8 三种方案下缓存功耗的比较（以无反馈机制的方法为基准归一化）
图5-9 执行过程需要的缓存容量（以无反馈机制的方法为基准归一化）
图5-10 EDP比较（以无反馈机制的方法为基准归一化）