Dynamic Hardware Resource Management for Efficient Throughput Processing.

High performance computing is evolving at a rapid pace, with throughput oriented processors such as graphics processing units (GPUs), substituting for traditional processors as the computational workhorse. Their adoption has seen a tremendous increase as they provide high peak performance and energy efficiency while maintaining a friendly programming interface. Furthermore, many existing desktop, laptop, tablet, and smartphone systems support accelerating non-graphics, data parallel workloads on their GPUs. However, the multitude of systems that use GPUs as an accelerator run different genres of data parallel applications, which have significantly contrasting runtime characteristics. GPUs use thousands of identical threads to efficiently exploit the on-chip hardware resources. Therefore, if one thread uses a resource (compute, bandwidth, data cache) more heavily, there will be significant contention for that resource. This contention will eventually saturate the performance of the GPU due to contention for the bottleneck resource,leaving other resources underutilized at the same time. Traditional policies of managing the massive hardware resources work adequately, on well designed traditional scientific style applications. However, these static policies, which are oblivious to the application’s resource requirement, are not efficient for the large spectrum of data parallel workloads with varying resource requirements. Therefore, several standard hardware policies such as using maximum concurrency, fixed operational frequency and round-robin style scheduling are not efficient for modern GPU applications. This thesis defines dynamic hardware resource management mechanisms which improve the efficiency of the GPU by regulating the hardware resources at runtime. The first step in successfully achieving this goal is to make the hardware aware of the application’s characteristics at runtime through novel counters and indicators. After this detection, dynamic hardware modulation provides opportunities for increased performance, improved energy consumption, or both, leading to efficient execution. The key mechanisms for modulating the hardware at runtime are dynamic frequency regulation, managing the amount of concurrency, managing the order of execution among different threads and increasing cache utilization. The resultant increased efficiency will lead to improved energy consumption of the systems that utilize GPUs while maintaining or improving their performance.PhDComputer Science and EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/113356/1/asethia_1.pd

PRISM: an intelligent adaptation of prefetch and SMT levels

Current microprocessors include hardware to optimize some specifics workloads. In general, these hardware knobs are set on a default configuration on the booting process of the machine. This default behavior cannot be beneficial for all types of workloads and they are not controlled by anyone but the end user, who needs to know what configuration is the best one for the workload running. Some of these knobs are: (1) the Simultaneous MultiThreading level, which specifies the number of threads that can run simultaneously on a physical CPU, and (2) the data prefetch engine, that manages the prefetches on memory. Parallel programming models are here to stay, and one programming model that succeed in allowing programmers to easily parallelize applications is Open Multi Processing (OMP). Also, the architecture of microprocessors is getting more complex that end users cannot afford to optimize their workloads for all the architectural details. These architectural knobs can help to increase performance but it is needed an automatic and adaptive system managing them. In this work we propose an independent library for OpenMP runtimes to increase performance up to 220% (14.7% on average) while reducing dynamic power consumption up to 13% (2% on average) on a real POWER8 processor

Exploiting data locality in cache-coherent NUMA systems

The end of Dennard scaling has caused a stagnation of the clock frequency in computers.To overcome this issue, in the last two decades vendors have been integrating larger numbers of processing elements in the systems, interconnecting many nodes, including multiple chips in the nodes and increasing the number of cores in each chip. The speed of main memory has not evolved at the same rate as processors, it is much slower and there is a need to provide more total bandwidth to the processors, especially with the increase in the number of cores and chips. Still keeping a shared address space, where all processors can access the whole memory, solutions have come by integrating more memories: by using newer technologies like high-bandwidth memories (HBM) and non-volatile memories (NVM), by giving groups cores (like sockets, for example) faster access to some subset of the DRAM, or by combining many of these solutions. This has caused some heterogeneity in the access speed to main memory, depending on the CPU requesting access to a memory address and the actual physical location of that address, causing non-uniform memory access (NUMA) behaviours. Moreover, many of these systems are cache-coherent (ccNUMA), meaning that changes in the memory done from one CPU must be visible by the other CPUs and transparent for the programmer. These NUMA behaviours reduce the performance of applications and can pose a challenge to the programmers. To tackle this issue, this thesis proposes solutions, at the software and hardware levels, to improve the data locality in NUMA systems and, therefore, the performance of applications in these computer systems. The first contribution shows how considering hardware prefetching simultaneously with thread and data placement in NUMA systems can find configurations with better performance than considering these aspects separately. The performance results combined with performance counters are then used to build a performance model to predict, both offline and online, the best configuration for new applications not in the model. The evaluation is done using two different high performance NUMA systems, and the performance counters collected in one machine are used to predict the best configurations in the other machine. The second contribution builds on the idea that prefetching can have a strong effect in NUMA systems and proposes a NUMA-aware hardware prefetching scheme. This scheme is generic and can be applied to multiple hardware prefetchers with a low hardware cost but giving very good results. The evaluation is done using a cycle-accurate architectural simulator and provides detailed results of the performance, the data transfer reduction and the energy costs. Finally, the third and last contribution consists in scheduling algorithms for task-based programming models. These programming models help improve the programmability of applications in parallel systems and also provide useful information to the underlying runtime system. This information is used to build a task dependency graph (TDG), a directed acyclic graph that models the application where the nodes are sequential pieces of code known as tasks and the edges are the data dependencies between the different tasks. The proposed scheduling algorithms use graph partitioning techniques and provide a scheduling for the tasks in the TDG that minimises the data transfers between the different NUMA regions of the system. The results have been evaluated in real ccNUMA systems with multiple NUMA regions.La fi de la llei de Dennard ha provocat un estancament de la freqüència de rellotge dels computadors. Amb l'objectiu de superar aquest fet, durant les darreres dues dècades els fabricants han integrat més quantitat d'unitats de còmput als sistemes mitjançant la interconnexió de nodes diferents, la inclusió de múltiples xips als nodes i l'increment de nuclis de processador a cada xip. La rapidesa de la memòria principal no ha evolucionat amb el mateix factor que els processadors; és molt més lenta i hi ha la necessitat de proporcionar més ample de banda als processadors, especialment amb l'increment del nombre de nuclis i xips. Tot mantenint un adreçament compartit en el qual tots els processadors poden accedir a la memòria sencera, les solucions han estat al voltant de la integració de més memòries: amb tecnologies modernes com HBM (high-bandwidth memories) i NVM (non-volatile memories), fent que grups de nuclis (com sòcols sencers) tinguin accés més ràpid a una part de la DRAM o amb la combinació de solucions. Això ha provocat una heterogeneïtat en la velocitat d'accés a la memòria principal, en funció del nucli que sol·licita l'accés a una adreça en particular i la seva localització física, fet que provoca uns comportaments no uniformes en l'accés a la memòria (non-uniform memory access, NUMA). A més, sovint tenen memòries cau coherents (cache-coherent NUMA, ccNUMA), que implica que qualsevol canvi fet a la memòria des d'un nucli d'un processador ha de ser visible la resta de manera transparent. Aquests comportaments redueixen el rendiment de les aplicacions i suposen un repte. Per abordar el problema, a la tesi s'hi proposen solucions, a nivell de programari i maquinari, que milloren la localitat de dades als sistemes NUMA i, en conseqüència, el rendiment de les aplicacions en aquests sistemes. La primera contribució mostra que, quan es tenen en compte alhora la precàrrega d'adreces de memòria amb maquinari (hardware prefetching) i les decisions d'ubicació dels fils d'execució i les dades als sistemes NUMA, es poden trobar millors configuracions que quan es condieren per separat. Una combinació dels resultats de rendiment i dels comptadors disponibles al sistema s'utilitza per construir un model de rendiment per fer la predicció, tant per avançat com també en temps d'execució, de la millor configuració per aplicacions que no es troben al model. L'avaluació es du a terme a dos sistemes NUMA d'alt rendiment, i els comptadors mesurats en un sistema s'usen per predir les millors configuracions a l'altre sistema. La segona contribució es basa en la idea que el prefetching pot tenir un efecte considerable als sistemes NUMA i proposa un esquema de precàrrega a nivell de maquinari que té en compte els efectes NUMA. L'esquema és genèric i es pot aplicar als algorismes de precàrrega existents amb un cost de maquinari molt baix però amb molt bons resultats. S'avalua amb un simulador arquitectural acurat a nivell de cicle i proporciona resultats detallats del rendiment, la reducció de les comunicacions de dades i els costos energètics. La tercera i darrera contribució consisteix en algorismes de planificació per models de programació basats en tasques. Aquests simplifiquen la programabilitat de les aplicacions paral·leles i proveeixen informació molt útil al sistema en temps d'execució (runtime system) que en controla el funcionament. Amb aquesta informació es construeix un graf de dependències entre tasques (task dependency graph, TDG), un graf dirigit i acíclic que modela l'aplicació i en el qual els nodes són fragments de codi seqüencial (o tasques) i els arcs són les dependències de dades entre les tasques. Els algorismes de planificació proposats fan servir tècniques de particionat de grafs i proporcionen una planificació de les tasques del TDG que minimitza la comunicació de dades entre les diferents regions NUMA del sistema. Els resultats han estat avaluats en sistemes ccNUMA reals amb múltiples regions NUMA.El final de la ley de Dennard ha provocado un estancamiento de la frecuencia de reloj de los computadores. Con el objetivo de superar este problema, durante las últimas dos décadas los fabricantes han integrado más unidades de cómputo en los sistemas mediante la interconexión de nodos diferentes, la inclusión de múltiples chips en los nodos y el incremento de núcleos de procesador en cada chip. La rapidez de la memoria principal no ha evolucionado con el mismo factor que los procesadores; es mucho más lenta y hay la necesidad de proporcionar más ancho de banda a los procesadores, especialmente con el incremento del número de núcleos y chips. Aun manteniendo un sistema de direccionamiento compartido en el que todos los procesadores pueden acceder al conjunto de la memoria, las soluciones han oscilado alrededor de la integración de más memorias: usando tecnologías modernas como las memorias de alto ancho de banda (highbandwidth memories, HBM) y memorias no volátiles (non-volatile memories, NVM), haciendo que grupos de núcleos (como zócalos completos) tengan acceso más veloz a un subconjunto de la DRAM, o con la combinación de soluciones. Esto ha provocado una heterogeneidad en la velocidad de acceso a la memoria principal, en función del núcleo que solicita el acceso a una dirección de memoria en particular y la ubicación física de esta dirección, lo que provoca unos comportamientos no uniformes en el acceso a la memoria (non-uniform memory access, NUMA). Además, muchos de estos sistemas tienen memorias caché coherentes (cache-coherent NUMA, ccNUMA), lo que implica que cualquier cambio hecho en la memoria desde un núcleo de un procesador debe ser visible por el resto de procesadores de forma transparente para los programadores. Estos comportamientos NUMA reducen el rendimiento de las aplicaciones y pueden suponer un reto para los programadores. Para abordar dicho problema, en esta tesis se proponen soluciones, a nivel de software y hardware, que mejoran la localidad de datos en los sistemas NUMA y, en consecuencia, el rendimiento de las aplicaciones en estos sistemas informáticos. La primera contribución muestra que, cuando se tienen en cuenta a la vez la precarga de direcciones de memoria mediante hardware (o hardware prefetching ) y las decisiones de la ubicación de los hilos de ejecución y los datos en los sistemas NUMA, se pueden hallar mejores configuraciones que cuando se consideran ambos aspectos por separado. Con una combinación de los resultados de rendimiento y de los contadores disponibles en el sistema se construye un modelo de rendimiento, tanto por avanzado como en en tiempo de ejecución, de la mejor configuración para aplicaciones que no están incluidas en el modelo. La evaluación se realiza en dos sistemas NUMA de alto rendimiento, y los contadores medidos en uno de los sistemas se usan para predecir las mejores configuraciones en el otro sistema. La segunda contribución se basa en la idea de que el prefetching puede tener un efecto considerable en los sistemas NUMA y propone un esquema de precarga a nivel hardware que tiene en cuenta los efectos NUMA. Este esquema es genérico y se puede aplicar a diferentes algoritmos de precarga existentes con un coste de hardware muy bajo pero que proporciona muy buenos resultados. Dichos resultados se obtienen y evalúan mediante un simulador arquitectural preciso a nivel de ciclo y proporciona resultados detallados del rendimiento, la reducción de las comunicaciones de datos y los costes energéticos. Finalmente, la tercera y última contribución consiste en algoritmos de planificación para modelos de programación basados en tareas. Estos modelos simplifican la programabilidad de las aplicaciones paralelas y proveen información muy útil al sistema en tiempo de ejecución (runtime system) que controla su funcionamiento. Esta información se utiliza para construir un grafo de dependencias entre tareas (task dependency graph, TDG), un grafo dirigido y acíclico que modela la aplicación y en el ue los nodos son fragmentos de código secuencial, conocidos como tareas, y los arcos son las dependencias de datos entre las distintas tareas. Los algoritmos de planificación que se proponen usan técnicas e particionado de grafos y proporcionan una planificación de las tareas del TDG que minimiza la comunicación de datos entre las distintas regiones NUMA del sistema. Los resultados se han evaluado en sistemas ccNUMA reales con múltiples regiones NUMA.Postprint (published version

Adaptive Prefetching and Cache Partitioning for Multicore Processors

El acceso a la memoria principal en los procesadores actuales supone un importante cuello de botella para las prestaciones, dado que los diferentes núcleos compiten por el limitado ancho de banda de memoria, agravando la brecha entre las prestaciones del procesador y las de la memoria principal. Distintas técnicas atacan este problema, siendo las más relevantes el uso de jerarquías de caché multinivel y la prebúsqueda. Las cachés jerárquicas aprovechan la localidad temporal y espacial que en general presentan los programas en el acceso a los datos, para mitigar las enormes latencias de acceso a memoria principal. Para limitar el número de accesos a la memoria DRAM, fuera del chip, los procesadores actuales cuentan con grandes cachés de último nivel (LLC). Para mejorar su utilización y reducir costes, estas cachés suelen compartirse entre todos los núcleos del procesador. Este enfoque mejora significativamente el rendimiento de la mayoría de las aplicaciones en comparación con el uso de cachés privados más pequeños. Compartir la caché, sin embargo, presenta una problema importante: la interferencia entre aplicaciones. La prebúsqueda, por otro lado, trae bloques de datos a las cachés antes de que el procesador los solicite, ocultando la latencia de memoria principal. Desafortunadamente, dado que la prebúsqueda es una técnica especulativa, si no tiene éxito puede contaminar la caché con bloques que no se usarán. Además, las prebúsquedas interfieren con los accesos a memoria normales, tanto los del núcleo que emite las prebúsquedas como los de los demás. Esta tesis se centra en reducir la interferencia entre aplicaciones, tanto en las caché compartidas como en el acceso a la memoria principal. Para reducir la interferencia entre aplicaciones en el acceso a la memoria principal, el mecanismo propuesto en esta disertación regula la agresividad de cada prebuscador, activando o desactivando selectivamente algunos de ellos, dependiendo de su rendimiento individual y de los requisitos de ancho de banda de memoria principal de los otros núcleos. Con respecto a la interferencia en cachés compartidos, esta tesis propone dos técnicas de particionado para la LLC, las cuales otorgan más espacio de caché a las aplicaciones que progresan más lentamente debido a la interferencia entre aplicaciones. La primera propuesta de particionado de caché requiere hardware específico no disponible en procesadores comerciales, por lo que se ha evaluado utilizando un entorno de simulación. La segunda propuesta de particionado de caché presenta una familia de políticas que superan las limitaciones en el número de particiones y en el número de vías de caché disponibles mediante la agrupación de aplicaciones en clústeres y la superposición de particiones de caché, por lo que varias aplicaciones comparten las mismas vías. Dado que se ha implementado utilizando los mecanismos para el particionado de la LLC que presentan algunos procesadores Intel modernos, esta propuesta ha sido evaluada en una máquina real. Los resultados experimentales muestran que el mecanismo de prebúsqueda selectiva propuesto en esta tesis reduce el número de solicitudes de memoria principal en un 20%, cosa que se traduce en mejoras en la equidad del sistema, el rendimiento y el consumo de energía. Por otro lado, con respecto a los esquemas de partición propuestos, en comparación con un sistema sin particiones, ambas propuestas reducen la iniquidad del sistema en un promedio de más del 25%, independientemente de la cantidad de aplicaciones en ejecución, y esta reducción en la injusticia no afecta negativamente al rendimiento.Accessing main memory represents a major performance bottleneck in current processors, since the different cores compete among them for the limited offchip bandwidth, aggravating even more the so called memory wall. Several techniques have been applied to deal with the core-memory performance gap, with the most preeminent ones being prefetching and hierarchical caching. Hierarchical caches leverage the temporal and spacial locality of the accessed data, mitigating the huge main memory access latencies. To limit the number of accesses to the off-chip DRAM memory, current processors feature large Last Level Caches. These caches are shared between all the cores to improve the utilization of the cache space and reduce cost. This approach significantly improves the performance of most applications compared to using smaller private caches. Cache sharing, however, presents an important shortcoming: the interference between applications. Prefetching, on the other hand, brings data blocks to the caches before they are requested, hiding the main memory latency. Unfortunately, since prefetching is a speculative technique, inaccurate prefetches may pollute the cache with blocks that will not be used. In addition, the prefetches interfere with the regular memory requests, both the ones from the application running on the core that issued the prefetches and the others. This thesis focuses on reducing the inter-application interference, both in the shared cache and in the access to the main memory. To reduce the interapplication interference in the access to main memory, the proposed approach regulates the aggressiveness of each core prefetcher, and selectively activates or deactivates some of them, depending on their individual performance and the main memory bandwidth requirements of the other cores. With respect to interference in shared caches, this thesis proposes two LLC partitioning techniques that give more cache space to the applications that have their progress diminished due inter-application interferences. The first cache partitioning proposal requires dedicated hardware not available in commercial processors, so it has been evaluated using a simulation framework. The second proposal dealing with cache partitioning presents a family of partitioning policies that overcome the limitations in the number of partitions and the number of available ways by grouping applications and overlapping cache partitions, so multiple applications share the same ways. Since it has been implemented using the cache partitioning features of modern Intel processors it has been evaluated in a real machine. Experimental results show that the proposed selective prefetching mechanism reduces the number of main memory requests by 20%, which translates to improvements in unfairness, performance, and energy consumption. On the other hand, regarding the proposed partitioning schemes, compared to a system with no partitioning, both reduce unfairness more than 25% on average, regardless of the number of applications running in the multicore, and this reduction in unfairness does not negatively affect the performance.L'accés a la memòria principal en els processadors actuals suposa un important coll d'ampolla per a les prestacions, ja que els diferents nuclis competeixen pel limitat ample de banda de memòria, agreujant la bretxa entre les prestacions del processador i les de la memòria principal. Diferents tècniques ataquen aquest problema, sent les més rellevants l'ús de jerarquies de memòria cau multinivell i la prebusca. Les memòries cau jeràrquiques aprofiten la localitat temporal i espacial que en general presenten els programes en l'accés a les dades per mitigar les enormes latències d'accés a memòria principal. Per limitar el nombre d'accessos a la memòria DRAM, fora del xip, els processadors actuals compten amb grans caus d'últim nivell (LLC). Per millorar la seva utilització i reduir costos, aquestes memòries cau solen compartir-se entre tots els nuclis del processador. Aquest enfocament millora significativament el rendiment de la majoria de les aplicacions en comparació amb l'ús de caus privades més menudes. Compartir la memòria cau, no obstant, presenta una problema important: la interferencia entre aplicacions. La prebusca, per altra banda, porta blocs de dades a les memòries cau abans que el processador els sol·licite, ocultant la latència de memòria principal. Desafortunadament, donat que la prebusca és una técnica especulativa, si no té èxit pot contaminar la memòria cau amb blocs que no fan falta. A més, les prebusques interfereixen amb els accessos normals a memòria, tant els del nucli que emet les prebusques com els dels altres. Aquesta tesi es centra en reduir la interferència entre aplicacions, tant en les cau compartides com en l'accés a la memòria principal. Per reduir la interferència entre aplicacions en l'accés a la memòria principal, el mecanismo proposat en aquesta dissertació regula l'agressivitat de cada prebuscador, activant o desactivant selectivament alguns d'ells, en funció del seu rendiment individual i dels requisits d'ample de banda de memòria principal dels altres nuclis. Pel que fa a la interferència en caus compartides, aquesta tesi proposa dues tècniques de particionat per a la LLC, les quals atorguen més espai de memòria cau a les aplicacions que progressen més lentament a causa de la interferència entre aplicacions. La primera proposta per al particionat de memòria cau requereix hardware específic no disponible en processadors comercials, per la qual cosa s'ha avaluat utilitzant un entorn de simulació. La segona proposta de particionat per a memòries cau presenta una família de polítiques que superen les limitacions en el nombre de particions i en el nombre de vies de memòria cau disponibles mitjan¿ cant l'agrupació d'aplicacions en clústers i la superposició de particions de memòria cau, de manera que diverses aplicacions comparteixen les mateixes vies. Atès que s'ha implementat utilitzant els mecanismes per al particionat de la LLC que ofereixen alguns processadors Intel moderns, aquesta proposta s'ha avaluat en una màquina real. Els resultats experimentals mostren que el mecanisme de prebusca selectiva proposat en aquesta tesi redueix el nombre de sol·licituds a la memòria principal en un 20%, cosa que es tradueix en millores en l'equitat del sistema, el rendiment i el consum d'energia. Per altra banda, pel que fa als esquemes de particiónat proposats, en comparació amb un sistema sense particions, ambdues propostes redueixen la iniquitat del sistema en més d'un 25% de mitjana, independentment de la quantitat d'aplicacions en execució, i aquesta reducció en la iniquitat no afecta negativament el rendiment.Selfa Oliver, V. (2018). Adaptive Prefetching and Cache Partitioning for Multicore Processors [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/112423TESI

Evaluation of Cache Inclusion Policies in Cache Management

Processor speed has been increasing at a higher rate than the speed of memories over the last years. Caches were designed to mitigate this gap and, ever since, several cache management techniques have been designed to further improve performance. Most techniques have been designed and evaluated on non-inclusive caches even though many modern processors implement either inclusive or exclusive policies. Exclusive caches benefit from a larger effective capacity, so they might become more popular when the number of cores per last-level cache increases. This thesis aims to demonstrate that the best cache management techniques for exclusive caches do not necessarily have to be the same as for non-inclusive or inclusive caches. To assess this statement we evaluated several cache management techniques with different inclusion policies, number of cores and cache sizes. We found that the configurations for inclusive and non-inclusive policies usually performed similarly, but for exclusive caches the best configurations were indeed different. Prefetchers impacted performance more than replacement policies, and determined which configurations were the best ones. Also, exclusive caches showed a higher speedup on multi-core. The least recently used (LRU) replacement policy is among the best policies for any prefetcher combination in exclusive caches but is the one used as a baseline in most cache replacement policy research. Therefore, we conclude that the results in this thesis motivate further research on prefetchers and replacement policies targeted to exclusive caches

QPACE 2 and Domain Decomposition on the Intel Xeon Phi

We give an overview of QPACE 2, which is a custom-designed supercomputer based on Intel Xeon Phi processors, developed in a collaboration of Regensburg University and Eurotech. We give some general recommendations for how to write high-performance code for the Xeon Phi and then discuss our implementation of a domain-decomposition-based solver and present a number of benchmarks.Comment: plenary talk at Lattice 2014, to appear in the conference proceedings PoS(LATTICE2014), 15 pages, 9 figure

DSPatch: Dual Spatial Pattern Prefetcher

High main memory latency continues to limit performance of modern high-performance out-of-order cores. While DRAM latency has remained nearly the same over many generations, DRAM bandwidth has grown significantly due to higher frequencies, newer architectures (DDR4, LPDDR4, GDDR5) and 3D-stacked memory packaging (HBM). Current state-of-the-art prefetchers do not do well in extracting higher performance when higher DRAM bandwidth is available. Prefetchers need the ability to dynamically adapt to available bandwidth, boosting prefetch count and prefetch coverage when headroom exists and throttling down to achieve high accuracy when the bandwidth utilization is close to peak. To this end, we present the Dual Spatial Pattern Prefetcher (DSPatch) that can be used as a standalone prefetcher or as a lightweight adjunct spatial prefetcher to the state-of-the-art delta-based Signature Pattern Prefetcher (SPP). DSPatch builds on a novel and intuitive use of modulated spatial bit-patterns. The key idea is to: (1) represent program accesses on a physical page as a bit-pattern anchored to the first "trigger" access, (2) learn two spatial access bit-patterns: one biased towards coverage and another biased towards accuracy, and (3) select one bit-pattern at run-time based on the DRAM bandwidth utilization to generate prefetches. Across a diverse set of workloads, using only 3.6KB of storage, DSPatch improves performance over an aggressive baseline with a PC-based stride prefetcher at the L1 cache and the SPP prefetcher at the L2 cache by 6% (9% in memory-intensive workloads and up to 26%). Moreover, the performance of DSPatch+SPP scales with increasing DRAM bandwidth, growing from 6% over SPP to 10% when DRAM bandwidth is doubled.Comment: This work is to appear in MICRO 201

An Intelligent Framework for Oversubscription Management in CPU-GPU Unified Memory

This paper proposes a novel intelligent framework for oversubscription management in CPU-GPU UVM. We analyze the current rule-based methods of GPU memory oversubscription with unified memory, and the current learning-based methods for other computer architectural components. We then identify the performance gap between the existing rule-based methods and the theoretical upper bound. We also identify the advantages of applying machine intelligence and the limitations of the existing learning-based methods. This paper proposes a novel intelligent framework for oversubscription management in CPU-GPU UVM. It consists of an access pattern classifier followed by a pattern-specific Transformer-based model using a novel loss function aiming for reducing page thrashing. A policy engine is designed to leverage the model's result to perform accurate page prefetching and pre-eviction. We evaluate our intelligent framework on a set of 11 memory-intensive benchmarks from popular benchmark suites. Our solution outperforms the state-of-the-art (SOTA) methods for oversubscription management, reducing the number of pages thrashed by 64.4\% under 125\% memory oversubscription compared to the baseline, while the SOTA method reduces the number of pages thrashed by 17.3\%. Our solution achieves an average IPC improvement of 1.52X under 125\% memory oversubscription, and our solution achieves an average IPC improvement of 3.66X under 150\% memory oversubscription. Our solution outperforms the existing learning-based methods for page address prediction, improving top-1 accuracy by 6.45\% (up to 41.2\%) on average for a single GPGPU workload, improving top-1 accuracy by 10.2\% (up to 30.2\%) on average for multiple concurrent GPGPU workloads.Comment: arXiv admin note: text overlap with arXiv:2203.1267

Scheduling techniques to avoid contention in multi-core systems

One of the main problems in multi-core systems is the contention of shared resources such as cache, memory controller, pre-fetcher etc. among the cores. Due to the contention among shared resources, the processing unit's performance is degraded. Scheduling of applications in such a way that it reduces the contention among shared resources is one of the promising solutions. Scheduling is considered as an efficient and best technique as it doesn't require any extra hardware or any changes to be made to the OS or its underlying kernel. Scheduling can be implemented at user level by using system calls. In the prior works it was considered that the cache contention was the main cause of performance degradation and many hardware and software techniques were found to avoid or minimize it. But further experiments proved that the contention caused by pre-fetcher and memory controller is also having significant effect on performance degradation. Many scheduling policies and classification schemes have been designed to find out an efficient scheduling algorithm. Miss rate is considered to be simple yet efficient classification scheme to classify the threads as it not only considers contention due to cache but also the memory controller and pre-fetcher. Distributed Intensity is the first scheduling algorithm discussed which uses miss rate to classify threads and assign them to all cores in an efficient way so that miss rate is shared almost equally among the cores. Then Distributed Intensity is combined with Swap algorithm to further improve the performance by using dynamic optimization. Then by further studies it is found out that miss rate cant be efficient classification technique for memory intensive workloads. So the concepts of Contentiousness and Sensitivity are introduced to improve the efficiency of scheduling algorithm and to minimize the performance degradation due to contention