Adaptive memory hierarchies for next generation tiled microarchitectures

Les últimes dècades el rendiment dels processadors i de les memòries ha millorat a diferent ritme, limitant el rendiment dels processadors i creant el conegut memory gap. Sol·lucionar aquesta diferència de rendiment és un camp d'investigació d'actualitat i que requereix de noves sol·lucions. Una sol·lució a aquest problema són les memòries “cache”, que permeten reduïr l'impacte d'unes latències de memòria creixents i que conformen la jerarquia de memòria. La majoria de d'organitzacions de les “caches” estan dissenyades per a uniprocessadors o multiprcessadors tradicionals. Avui en dia, però, el creixent nombre de transistors disponible per xip ha permès l'aparició de xips multiprocessador (CMPs). Aquests xips tenen diferents propietats i limitacions i per tant requereixen de jerarquies de memòria específiques per tal de gestionar eficientment els recursos disponibles. En aquesta tesi ens hem centrat en millorar el rendiment i la eficiència energètica de la jerarquia de memòria per CMPs, des de les “caches” fins als controladors de memòria. A la primera part d'aquesta tesi, s'han estudiat organitzacions tradicionals per les “caches” com les privades o compartides i s'ha pogut constatar que, tot i que funcionen bé per a algunes aplicacions, un sistema que s'ajustés dinàmicament seria més eficient. Tècniques com el Cooperative Caching (CC) combinen els avantatges de les dues tècniques però requereixen un mecanisme centralitzat de coherència que té un consum energètic molt elevat. És per això que en aquesta tesi es proposa el Distributed Cooperative Caching (DCC), un mecanisme que proporciona coherència en CMPs i aplica el concepte del cooperative caching de forma distribuïda. Mitjançant l'ús de directoris distribuïts s'obté una sol·lució més escalable i que, a més, disposa d'un mecanisme de marcatge més flexible i eficient energèticament. A la segona part, es demostra que les aplicacions fan diferents usos de la “cache” i que si es realitza una distribució de recursos eficient es poden aprofitar els que estan infrautilitzats. Es proposa l'Elastic Cooperative Caching (ElasticCC), una organització capaç de redistribuïr la memòria “cache” dinàmicament segons els requeriments de cada aplicació. Una de les contribucions més importants d'aquesta tècnica és que la reconfiguració es decideix completament a través del maquinari i que tots els mecanismes utilitzats es basen en estructures distribuïdes, permetent una millor escalabilitat. ElasticCC no només és capaç de reparticionar les “caches” segons els requeriments de cada aplicació, sinó que, a més a més, és capaç d'adaptar-se a les diferents fases d'execució de cada una d'elles. La nostra avaluació també demostra que la reconfiguració dinàmica de l'ElasticCC és tant eficient que gairebé proporciona la mateixa taxa de fallades que una configuració amb el doble de memòria.Finalment, la tesi es centra en l'estudi del comportament de les memòries DRAM i els seus controladors en els CMPs. Es demostra que, tot i que els controladors tradicionals funcionen eficientment per uniprocessadors, en CMPs els diferents patrons d'accés obliguen a repensar com estan dissenyats aquests sistemes. S'han presentat múltiples sol·lucions per CMPs però totes elles es veuen limitades per un compromís entre el rendiment global i l'equitat en l'assignació de recursos. En aquesta tesi es proposen els Thread Row Buffers (TRBs), una zona d'emmagatenament extra a les memòries DRAM que permetria guardar files de dades específiques per a cada aplicació. Aquest mecanisme permet proporcionar un accés equitatiu a la memòria sense perjudicar el seu rendiment global. En resum, en aquesta tesi es presenten noves organitzacions per la jerarquia de memòria dels CMPs centrades en la escalabilitat i adaptativitat als requeriments de les aplicacions. Els resultats presentats demostren que les tècniques proposades proporcionen un millor rendiment i eficiència energètica que les millors tècniques existents fins a l'actualitat.Processor performance and memory performance have improved at different rates during the last decades, limiting processor performance and creating the well known "memory gap". Solving this performance difference is an important research field and new solutions must be proposed in order to have better processors in the future. Several solutions exist, such as caches, that reduce the impact of longer memory accesses and conform the system memory hierarchy. However, most of the existing memory hierarchy organizations were designed for single processors or traditional multiprocessors. Nowadays, the increasing number of available transistors has allowed the apparition of chip multiprocessors, which have different constraints and require new ad-hoc memory systems able to efficiently manage memory resources. Therefore, in this thesis we have focused on improving the performance and energy efficiency of the memory hierarchy of chip multiprocessors, ranging from caches to DRAM memories. In the first part of this thesis we have studied traditional cache organizations such as shared or private caches and we have seen that they behave well only for some applications and that an adaptive system would be desirable. State-of-the-art techniques such as Cooperative Caching (CC) take advantage of the benefits of both worlds. This technique, however, requires the usage of a centralized coherence structure and has a high energy consumption. Therefore we propose the Distributed Cooperative Caching (DCC), a mechanism to provide coherence to chip multiprocessors and apply the concept of cooperative caching in a distributed way. Through the usage of distributed directories we obtain a more scalable solution and, in addition, has a more flexible and energy-efficient tag allocation method. We also show that applications make different uses of cache and that an efficient allocation can take advantage of unused resources. We propose Elastic Cooperative Caching (ElasticCC), an adaptive cache organization able to redistribute cache resources dynamically depending on application requirements. One of the most important contributions of this technique is that adaptivity is fully managed by hardware and that all repartitioning mechanisms are based on distributed structures, allowing a better scalability. ElasticCC not only is able to repartition cache sizes to application requirements, but also is able to dynamically adapt to the different execution phases of each thread. Our experimental evaluation also has shown that the cache partitioning provided by ElasticCC is efficient and is almost able to match the off-chip miss rate of a configuration that doubles the cache space. Finally, we focus in the behavior of DRAM memories and memory controllers in chip multiprocessors. Although traditional memory schedulers work well for uniprocessors, we show that new access patterns advocate for a redesign of some parts of DRAM memories. Several organizations exist for multiprocessor DRAM schedulers, however, all of them must trade-off between memory throughput and fairness. We propose Thread Row Buffers, an extended storage area in DRAM memories able to store a data row for each thread. This mechanism enables a fair memory access scheduling without hurting memory throughput. Overall, in this thesis we present new organizations for the memory hierarchy of chip multiprocessors which focus on the scalability and of the proposed structures and adaptivity to application behavior. Results show that the presented techniques provide a better performance and energy-efficiency than existing state-of-the-art solutions

Software Coherence in Multiprocessor Memory Systems

Processors are becoming faster and multiprocessor memory interconnection systems are not keeping up. Therefore, it is necessary to have threads and the memory they access as near one another as possible. Typically, this involves putting memory or caches with the processors, which gives rise to the problem of coherence: if one processor writes an address, any other processor reading that address must see the new value. This coherence can be maintained by the hardware or with software intervention. Systems of both types have been built in the past; the hardware-based systems tended to outperform the software ones. However, the ratio of processor to interconnect speed is now so high that the extra overhead of the software systems may no longer be significant. This issue is explored both by implementing a software maintained system and by introducing and using the technique of offline optimal analysis of memory reference traces. It finds that in properly built systems, software maintained coherence can perform comparably to or even better than hardware maintained coherence. The architectural features necessary for efficient software coherence to be profitable include a small page size, a fast trap mechanism, and the ability to execute instructions while remote memory references are outstanding

Multithreading Aware Hardware Prefetching for Chip Multiprocessors

To take advantage of the processing power in the Chip Multiprocessors design, applications must be divided into semi-independent processes that can run concur- rently on multiple cores within a system. Therefore, programmers must insert thread synchronization semantics (i.e. locks, barriers, and condition variables) to synchro- nize data access between processes. Indeed, threads spend long time waiting to acquire the lock of a critical section. In addition, a processor has to stall execution to wait for load data accesses to complete. Furthermore, there are often independent instructions which include load instructions beyond synchronization semantics that could be executed in parallel while a thread waits on the synchronization semantics. The conveniences of the cache memories come with some extra cost in Chip Multiprocessors. Cache Coherence mechanisms address the Memory Consistency problem. However, Cache Coherence adds considerable overhead to memory accesses. Having aggressive prefetcher on different cores of a Chip Multiprocessor can definitely lead to significant system performance degradation when running multi-threaded applications. This result of prefetch-demand interference when a prefetcher in one core ends up pulling shared data from a producing core before it has been written, the cache block will end up transitioning back and forth between the cores and result in useless prefetch, saturating the memory bandwidth and substantially increase the latency to critical shared data. We present a hardware prefetcher that enables large performance improvements from prefetching in Chip Multiprocessors by significantly reducing prefetch-demand interference. Furthermore, it will utilize the time that a thread spends waiting on syn- chronization semantics to run ahead of the critical section to speculate and prefetch independent load instruction data beyond the synchronization semantics

An Efficient Cache Organization for On-Chip Multiprocessor Networks

To meet the growing computation-intensive applications and the needs of low-power, high-performance systems, the number of computing resources in single-chip has enormously increased. By adding many computing resources to build a system in System-on-Chip, its interconnection between each other becomes another challenging issue. In most System-on-Chip applications, a shared bus interconnection which needs an arbitration logic to serialize several bus access requests, is adopted to communicate with each integrated processing unit because of its low-cost and simple control characteristics. This paper focuses on the interconnection design issues of area, power and performance of chip multi-processors with shared cache memory. It shows that having shared cache memory contributes to the performance improvement, however, typical interconnection between cores and the shared cache using crossbar occupies most of the chip area, consumes a lot of power and does not scale efficiently with increased number of cores. New interconnection mechanisms are needed to address these issues. This paper proposes an architectural paradigm in an attempt to gain the advantages of having shared cache with the avoidance of penalty imposed by the crossbar interconnect. The proposed architecture achieves smaller area occupation allowing more space to add additional cache memory. It also reduces power consumption compared to the existing crossbar architecture. Furthermore, the paper presents a modified cache coherence algorithm called Tuned-MESI. It is based on the typical MESI cache coherence algorithm however it is tuned and tailored for the suggested architecture. The achieved results of the conducted simulated experiments show that the developed architecture produces less broadcast operations compared to the typical algorithm

Transparent management of scratchpad memories in shared memory programming models

Cache-coherent shared memory has traditionally been the favorite memory organization for chip multiprocessors thanks to its high programmability. In this organization the cache hierarchy is in charge of moving the data and keeping it coherent between all the caches, enabling the usage of shared memory programming models where the programmer does not need to carry out any data management operation. Unfortunately, performing all the data management operations in hardware causes severe problems, being the primary concerns the power consumption originated in the caches and the amount of coherence traffic in the interconnection network. A good solution is to introduce ScratchPad Memories (SPMs) alongside the cache hierarchy, forming a hybrid memory hierarchy. SPMs are more power-efficient than caches and do not generate coherence traffic, but they degrade programmability. In particular, SPMs require the programmer to partition the data, to program data transfers, and to keep coherence between different copies of the data. A promising solution to exploit the benefits of the SPMs without harming programmability is to allow programmers to use shared memory programming models and to automatically generate code that manages the SPMs. Unfortunately, current compilers and runtime systems encounter serious limitations to automatically generate code for hybrid memory hierarchies from shared memory programming models. This thesis proposes to transparently manage the SPMs of hybrid memory hierarchies in shared memory programming models. In order to achieve this goal this thesis proposes a combination of hardware and compiler techniques to manage the SPMs in fork-join programming models and a set of runtime system techniques to manage the SPMs in task programming models. The proposed techniques allow to program hybrid memory hierarchies with these two well-known and easy-to-use forms of shared memory programming models, capitalizing on the benefits of hybrid memory hierarchies in power consumption and network traffic without harming programmability. The first contribution of this thesis is a hardware/software co-designed coherence protocol to transparently manage the SPMs of hybrid memory hierarchies in fork-join programming models. The solution allows the compiler to always generate code to manage the SPMs with tiling software caches, even in the presence of unknown memory aliasing hazards between memory references to the SPMs and to the cache hierarchy. On the software side, the compiler generates a special form of memory instruction for memory references with possible aliasing hazards. On the hardware side, the special memory instructions are diverted to the correct copy of the data using a set of directories that track what data is mapped to the SPMs. The second contribution of this thesis is a set of runtime system techniques to manage the SPMs of hybrid memory hierarchies in task programming models. The proposed runtime system techniques exploit the characteristics of these programming models to map the data specified in the task dependences to the SPMs. Different policies are proposed to mitigate the communication costs of the data transfers, overlapping them with other execution phases such as the task scheduling phase or the execution of the previous task. The runtime system can also reduce the number of data transfers by using a task scheduler that exploits data locality in the SPMs. In addition, the proposed techniques are combined with mechanisms that reduce the impact of fine-grained tasks, such as hardware runtime systems or large SPM sizes. The accomplishment of this thesis is that hybrid memory hierarchies can be programmed with fork-join and task programming models. Consequently, architectures with hybrid memory hierarchies can be exposed to the programmer as a shared memory multiprocessor, taking advantage of the benefits of the SPMs while maintaining the programming simplicity of shared memory programming models.La memoria compartida con coherencia de caches es la jerarquía de memoria más utilizada en multiprocesadores gracias a su programabilidad. En esta solución la jerarquía de caches se encarga de mover los datos y mantener la coherencia entre las caches, habilitando el uso de modelos de programación de memoria compartida donde el programador no tiene que realizar ninguna operación para gestionar las memorias. Desafortunadamente, realizar estas operaciones en la arquitectura causa problemas severos, siendo especialmente relevantes el consumo de energía de las caches y la cantidad de tráfico de coherencia en la red de interconexión. Una buena solución es añadir Memorias ScratchPad (SPMs) acompañando la jerarquía de caches, formando una jerarquía de memoria híbrida. Las SPMs son más eficientes en energía y tráfico de coherencia, pero dificultan la programabilidad ya que requieren que el programador particione los datos, programe transferencias de datos y mantenga la coherencia entre diferentes copias de datos. Una solución prometedora para beneficiarse de las ventajas de las SPMs sin dificultar la programabilidad es permitir que el programador use modelos de programación de memoria compartida y generar código para gestionar las SPMs automáticamente. El problema es que los compiladores y los entornos de ejecución actuales sufren graves limitaciones al gestionar automáticamente una jerarquía de memoria híbrida en modelos de programación de memoria compartida. Esta tesis propone gestionar automáticamente una jerarquía de memoria híbrida en modelos de programación de memoria compartida. Para conseguir este objetivo esta tesis propone una combinación de técnicas hardware y de compilador para gestionar las SPMs en modelos de programación fork-join, y técnicas en entornos de ejecución para gestionar las SPMs en modelos de programación basados en tareas. Las técnicas propuestas hacen que las jerarquías de memoria híbridas puedan programarse con estos dos modelos de programación de memoria compartida, de tal forma que las ventajas en energía y tráfico de coherencia se puedan explotar sin dificultar la programabilidad. La primera contribución de esta tesis en un protocolo de coherencia hardware/software para gestionar SPMs en modelos de programación fork-join. La propuesta consigue que el compilador siempre pueda generar código para gestionar las SPMs, incluso cuando hay posibles alias de memoria entre referencias a memoria a las SPMs y a la jerarquía de caches. En la solución el compilador genera instrucciones especiales para las referencias a memoria con posibles alias, y el hardware sirve las instrucciones especiales con la copia válida de los datos usando directorios que guardan información sobre qué datos están mapeados en las SPMs. La segunda contribución de esta tesis son una serie de técnicas para gestionar SPMs en modelos de programación basados en tareas. Las técnicas aprovechan las características de estos modelos de programación para mapear las dependencias de las tareas en las SPMs y se complementan con políticas para minimizar los costes de las transferencias de datos, como solaparlas con fases del entorno de ejecución o la ejecución de tareas anteriores. El número de transferencias también se puede reducir utilizando un planificador que tenga en cuenta la localidad de datos y, además, las técnicas se pueden combinar con mecanismos para reducir los efectos negativos de tener tareas pequeñas, como entornos de ejecución en hardware o SPMs de más capacidad. Las propuestas de esta tesis consiguen que las jerarquías de memoria híbridas se puedan programar con modelos de programación fork-join y basados en tareas. En consecuencia, las arquitecturas con jerarquías de memoria híbridas se pueden exponer al programador como multiprocesadores de memoria compartida, beneficiándose de las ventajas de las SPMs en energía y tráfico de coherencia y manteniendo la simplicidad de uso de los modelos de programación de memoria compartida

TD-NUCA: runtime driven management of NUCA caches in task dataflow programming models

In high performance processors, the design of on-chip memory hierarchies is crucial for performance and energy efficiency. Current processors rely on large shared Non-Uniform Cache Architectures (NUCA) to improve performance and reduce data movement. Multiple solutions exploit information available at the microarchitecture level or in the operating system to optimize NUCA performance. However, existing methods have not taken advantage of the information captured by task dataflow programming models to guide the management of NUCA caches. In this paper we propose TD-NUCA, a hardware/software co-designed approach that leverages information present in the runtime system of task dataflow programming models to efficiently manage NUCA caches. TD-NUCA identifies the data access and reuse patterns of parallel applications in the runtime system and guides the operation of the NUCA caches in the hardware. As a result, TD-NUCA achieves a 1.18x average speedup over the baseline S-NUCA while requiring only 0.62x the data movement.This work has been supported by the Spanish Ministry of Science and Technology (contract PID2019-107255GB-C21) and the Generalitat de Catalunya (contract 2017-SGR-1414). M. Casas has been partially supported by the Grant RYC- 2017-23269 funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033 and ESF ‘Investing in your future’. M. Moreto has been partially supported by the Spanish Ministry of Economy, Industry and Competitiveness under Ramon y Cajal fellowship No. RYC-2016-21104.Peer ReviewedPostprint (published version

Novel Cache Hierarchies with Photonic Interconnects for Chip Multiprocessors

[ES] Los procesadores multinúcleo actuales cuentan con recursos compartidos entre los diferentes núcleos. Dos de estos recursos compartidos, la cache de último nivel y el ancho de banda de memoria principal, pueden convertirse en cuellos de botella para el rendimiento. Además, con el crecimiento del número de núcleos que implementan los diseños más recientes, la red dentro del chip también se convierte en un cuello de botella que puede afectar negativamente al rendimiento, ya que las redes tradicionales pueden encontrar limitaciones a su escalabilidad en el futuro cercano. Prácticamente la totalidad de los diseños actuales implementan jerarquías de memoria que se comunican mediante rápidas redes de interconexión. Esta organización es eficaz dado que permite reducir el número de accesos que se realizan a memoria principal y la latencia media de acceso a memoria. Las caches, la red de interconexión y la memoria principal, conjuntamente con otras técnicas conocidas como la prebúsqueda, permiten reducir las enormes latencias de acceso a memoria principal, limitando así el impacto negativo ocasionado por la diferencia de rendimiento existente entre los núcleos de cómputo y la memoria. Sin embargo, compartir los recursos mencionados es fuente de diferentes problemas y retos, siendo uno de los principales el manejo de la interferencia entre aplicaciones. Hacer un uso eficiente de la jerarquía de memoria y las caches, así como contar con una red de interconexión apropiada, es necesario para sostener el crecimiento del rendimiento en los diseños tanto actuales como futuros. Esta tesis analiza y estudia los principales problemas e inconvenientes observados en estos dos recursos: la cache de último nivel y la red dentro del chip. En primer lugar, se estudia la escalabilidad de las tradicionales redes dentro del chip con topología de malla, así como esta puede verse comprometida en próximos diseños que cuenten con mayor número de núcleos. Los resultados de este estudio muestran que, a mayor número de núcleos, el impacto negativo de la distancia entre núcleos en la latencia puede afectar seriamente al rendimiento del procesador. Como solución a este problema, en esta tesis proponemos una de red de interconexión óptica modelada en un entorno de simulación detallado, que supone una solución viable a los problemas de escalabilidad observados en los diseños tradicionales. A continuación, esta tesis dedica un esfuerzo importante a identificar y proponer soluciones a los principales problemas de diseño de las jerarquías de memoria actuales como son, por ejemplo, el sobredimensionado del espacio de cache privado, la existencia de réplicas de datos y rigidez e incapacidad de adaptación de las estructuras de cache. Aunque bien conocidos, estos problemas y sus efectos adversos en el rendimiento pueden ser evitados en procesadores de alto rendimiento gracias a la enorme capacidad de la cache de último nivel que este tipo de procesadores típicamente implementan. Sin embargo, en procesadores de bajo consumo, no existe la posibilidad de contar con tales capacidades y hacer un uso eficiente del espacio disponible es crítico para mantener el rendimiento. Como solución a estos problemas en procesadores de bajo consumo, proponemos una novedosa organización de jerarquía de dos niveles cache que utiliza una red de interconexión óptica. Los resultados obtenidos muestran que, comparado con diseños convencionales, el consumo de energía estática en la arquitectura propuesta es un 60% menor, pese a que los resultados de rendimiento presentan valores similares. Por último, hemos extendido la arquitectura propuesta para dar soporte tanto a aplicaciones paralelas como secuenciales. Los resultados obtenidos con la esta nueva arquitectura muestran un ahorro de hasta el 78 % de energía estática en la ejecución de aplicaciones paralelas.[CA] Els processadors multinucli actuals compten amb recursos compartits entre els diferents nuclis. Dos d'aquests recursos compartits, la memòria d’últim nivell i l'ample de banda de memòria principal, poden convertir-se en colls d'ampolla per al rendiment. A mes, amb el creixement del nombre de nuclis que implementen els dissenys mes recents, la xarxa dins del xip també es converteix en un coll d'ampolla que pot afectar negativament el rendiment, ja que les xarxes tradicionals poden trobar limitacions a la seva escalabilitat en el futur proper. Pràcticament la totalitat dels dissenys actuals implementen jerarquies de memòria que es comuniquen mitjançant rapides xarxes d’interconnexió. Aquesta organització es eficaç ates que permet reduir el nombre d'accessos que es realitzen a memòria principal i la latència mitjana d’accés a memòria. Les caches, la xarxa d’interconnexió i la memòria principal, conjuntament amb altres tècniques conegudes com la prebúsqueda, permeten reduir les enormes latències d’accés a memòria principal, limitant així l'impacte negatiu ocasionat per la diferencia de rendiment existent entre els nuclis de còmput i la memòria. No obstant això, compartir els recursos esmentats és font de diversos problemes i reptes, sent un dels principals la gestió de la interferència entre aplicacions. Fer un us eficient de la jerarquia de memòria i les caches, així com comptar amb una xarxa d’interconnexió apropiada, es necessari per sostenir el creixement del rendiment en els dissenys tant actuals com futurs. Aquesta tesi analitza i estudia els principals problemes i inconvenients observats en aquests dos recursos: la memòria cache d’últim nivell i la xarxa dins del xip. En primer lloc, s'estudia l'escalabilitat de les xarxes tradicionals dins del xip amb topologia de malla, així com aquesta es pot veure compromesa en propers dissenys que compten amb major nombre de nuclis. Els resultats d'aquest estudi mostren que, a major nombre de nuclis, l'impacte negatiu de la distància entre nuclis en la latència pot afectar seriosament al rendiment del processador. Com a solució' a aquest problema, en aquesta tesi proposem una xarxa d’interconnexió' òptica modelada en un entorn de simulació detallat, que suposa una solució viable als problemes d'escalabilitat observats en els dissenys tradicionals. A continuació, aquesta tesi dedica un esforç important a identificar i proposar solucions als principals problemes de disseny de les jerarquies de memòria actuals com son, per exemple, el sobredimensionat de l'espai de memòria cache privat, l’existència de repliques de dades i la rigidesa i incapacitat d’adaptació' de les estructures de memòria cache. Encara que ben coneguts, aquests problemes i els seus efectes adversos en el rendiment poden ser evitats en processadors d'alt rendiment gracies a l'enorme capacitat de la memòria cache d’últim nivell que aquest tipus de processadors típicament implementen. No obstant això, en processadors de baix consum, no hi ha la possibilitat de comptar amb aquestes capacitats, i fer un us eficient de l'espai disponible es torna crític per mantenir el rendiment. Com a solució a aquests problemes en processadors de baix consum, proposem una nova organització de jerarquia de dos nivells de memòria cache que utilitza una xarxa d’interconnexió òptica. Els resultats obtinguts mostren que, comparat amb dissenys convencionals, el consum d'energia estàtica en l'arquitectura proposada és un 60% menor, malgrat que els resultats de rendiment presenten valors similars. Per últim, hem estes l'arquitectura proposada per donar suport tant a aplicacions paral·leles com seqüencials. Els resultats obtinguts amb aquesta nova arquitectura mostren un estalvi de fins al 78 % d'energia estàtica en l’execució d'aplicacions paral·leles.[EN] Current multicores face the challenge of sharing resources among the different processor cores. Two main shared resources act as major performance bottlenecks in current designs: the off-chip main memory bandwidth and the last level cache. Additionally, as the core count grows, the network on-chip is also becoming a potential performance bottleneck, since traditional designs may find scalability issues in the near future. Memory hierarchies communicated through fast interconnects are implemented in almost every current design as they reduce the number of off-chip accesses and the overall latency, respectively. Main memory, caches, and interconnection resources, together with other widely-used techniques like prefetching, help alleviate the huge memory access latencies and limit the impact of the core-memory speed gap. However, sharing these resources brings several concerns, being one of the most challenging the management of the inter-application interference. Since almost every running application needs to access to main memory, all of them are exposed to interference from other co-runners in their way to the memory controller. For this reason, making an efficient use of the available cache space, together with achieving fast and scalable interconnects, is critical to sustain the performance in current and future designs. This dissertation analyzes and addresses the most important shortcomings of two major shared resources: the Last Level Cache (LLC) and the Network on Chip (NoC). First, we study the scalability of both electrical and optical NoCs for future multicoresand many-cores. To perform this study, we model optical interconnects in a cycle-accurate multicore simulation framework. A proper model is required; otherwise, important performance deviations may be observed otherwise in the evaluation results. The study reveals that, as the core count grows, the effect of distance on the end-to-end latency can negatively impact on the processor performance. In contrast, the study also shows that silicon nanophotonics are a viable solution to solve the mentioned latency problems. This dissertation is also motivated by important design concerns related to current memory hierarchies, like the oversizing of private cache space, data replication overheads, and lack of flexibility regarding sharing of cache structures. These issues, which can be overcome in high performance processors by virtue of huge LLCs, can compromise performance in low power processors. To address these issues we propose a more efficient cache hierarchy organization that leverages optical interconnects. The proposed architecture is conceived as an optically interconnected two-level cache hierarchy composed of multiple cache modules that can be dynamically turned on and off independently. Experimental results show that, compared to conventional designs, static energy consumption is improved by up to 60% while achieving similar performance results. Finally, we extend the proposal to support both sequential and parallel applications. This extension is required since the proposal adapts to the dynamic cache space needs of the running applications, and multithreaded applications's behaviors widely differ from those of single threaded programs. In addition, coherence management is also addressed, which is challenging since each cache module can be assigned to any core at a given time in the proposed approach. For parallel applications, the evaluation shows that the proposal achieves up to 78% static energy savings. In summary, this thesis tackles major challenges originated by the sharing of on-chip caches and communication resources in current multicores, and proposes new cache hierarchy organizations leveraging optical interconnects to address them. The proposed organizations reduce both static and dynamic energy consumption compared to conventional approaches while achieving similar performance; which results in better energy efficiency.Puche Lara, J. (2021). Novel Cache Hierarchies with Photonic Interconnects for Chip Multiprocessors [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/165254TESI