Power-constrained aware and latency-aware microarchitectural optimizations in many-core processors

As the transistor budgets outpace the power envelope (the power-wall issue), new architectural and microarchitectural techniques are needed to improve, or at least maintain, the power efficiency of next-generation processors. Run-time adaptation, including core, cache and DVFS adaptations, has recently emerged as a promising area to keep the pace for acceptable power efficiency. However, none of the adaptation techniques proposed so far is able to provide good results when we consider the stringent power budgets that will be common in the next decades, so new techniques that attack the problem from several fronts using different specialized mechanisms are necessary. The combination of different power management mechanisms, however, bring extra levels of complexity, since other factors such as workload behavior and run-time conditions must also be considered to properly allocate power among cores and threads. To address the power issue, this thesis first proposes Chrysso, an integrated and scalable model-driven power management that quickly selects the best combination of adaptation methods out of different core and uncore micro-architecture adaptations, per-core DVFS, or any combination thereof. Chrysso can quickly search the adaptation space by making performance/power projections to identify Pareto-optimal configurations, effectively pruning the search space. Chrysso achieves 1.9x better chip performance over core-level gating for multi-programmed workloads, and 1.5x higher performance for multi-threaded workloads. Most existing power management schemes use a centralized approach to regulate power dissipation. Unfortunately, the complexity and overhead of centralized power management increases significantly with core count rendering it in-viable at fine-grain time slices. The work leverages a two-tier hierarchical power manager. This solution is highly scalable with low overhead on a tiled many-core architecture with shared LLC and per-tile DVFS at fine-grain time slices. The global power is first distributed across tiles using GPM and then within a tile (in parallel across all tiles). Additionally, this work also proposes DVFS and cache-aware thread migration (DCTM) to ensure optimum per-tile co-scheduling of compatible threads at runtime over the two-tier hierarchical power manager. DCTM outperforms existing solutions by up to 12% on adaptive many-core tile processor. With the advancements in the core micro-architectural techniques and technology scaling, the performance gap between the computational component and memory component is increasing significantly (the memory-wall issue). To bridge this gap, the architecture community is pushing forward towards multi-core architecture with on-die near-memory DRAM cache memory (faster than conventional DRAM). Gigascale DRAM Caches poses a problem of how to efficiently manage the tags. The Tags-in-DRAM designs aims at efficiently co-locate tags with data, but it still suffer from high latency especially in multi-way associativity. The thesis finally proposes Tag Cache mechanism, an on-chip distributed tag caching mechanism with limited space and latency overhead to bypass the tag read operation in multi-way DRAM Caches, thereby reducing hit latency. Each Tag Cache, stored in L2, stores tag information of the most recently used DRAM Cache ways. The Tag Cache is able to exploit temporal locality of the DRAM Cache, thereby contributing to on average 46% of the DRAM Cache hits.A mesura que el consum dels transistors supera el nivell de potència desitjable es necessiten noves tècniques arquitectòniques i microarquitectòniques per millorar, o almenys mantenir, l'eficiència energètica dels processadors de les pròximes generacions. L'adaptació en temps d'execució, tant de nuclis com de les cachés, així com també adaptacions DVFS són idees que han sorgit recentment que fan preveure que sigui un àrea prometedora per mantenir un ritme d'eficiència energètica acceptable. Tanmateix, cap de les tècniques d'adaptació proposades fins ara és capaç d'oferir bons resultats si tenim en compte les restriccions estrictes de potència que seran comuns a les pròximes dècades. És convenient definir noves tècniques que ataquin el problema des de diversos fronts utilitzant diferents mecanismes especialitzats. La combinació de diferents mecanismes de gestió d'energia porta aparellada nivells addicionals de complexitat, ja que altres factors com ara el comportament de la càrrega de treball així com condicions específiques de temps d'execució també han de ser considerats per assignar adequadament la potència entre els nuclis del sistema computador. Per tractar el tema de la potència, aquesta tesi proposa en primer lloc Chrysso, una administració d'energia integrada i escalable que selecciona ràpidament la millor combinació entre diferents adaptacions microarquitectòniques. Chrysso pot buscar ràpidament l'adaptació adequada al fer projeccions òptimes de rendiment i potència basades en configuracions de Pareto, permetent així reduir de manera efectiva l'espai de cerca. Chrysso arriba a un rendiment de 1,9 sobre tècniques convencionals d'inhibició de portes amb una càrrega d'aplicacions seqüencials; i un rendiment de 1,5 quan les aplicacions corresponen a programes parla·lels. La majoria dels sistemes de gestió d'energia existents utilitzen un enfocament centralitzat per regular la dissipació d'energia. Malauradament, la complexitat i el temps d'administració s'incrementen significativament amb una gran quantitat de nuclis. En aquest treball es defineix un gestor jeràrquic de potència basat en dos nivells. Aquesta solució és altament escalable amb baix cost operatiu en una arquitectura de múltiples nuclis integrats en clústers, amb memòria caché de darrer nivell compartida a nivell de cluster, i DVFS establert en intervals de temps de gra fi a nivell de clúster. La potència global es distribueix en primer lloc a través dels clústers utilitzant GPM i després es distribueix dins un clúster (en paral·lel si es consideren tots els clústers). A més, aquest treball també proposa DVFS i migració de fils conscient de la memòria caché (DCTM) que garanteix una òptima distribució de tasques entre els nuclis. DCTM supera les solucions existents fins a un 12%. Amb els avenços en la tecnologia i les tècniques de micro-arquitectura de nuclis, la diferència de rendiment entre el component computacional i la memòria està augmentant significativament. Per omplir aquest buit, s'està avançant cap a arquitectures de múltiples nuclis amb memòries caché integrades basades en DRAM. Aquestes memòries caché DRAM a gran escala plantegen el problema de com gestionar de forma eficaç les etiquetes. Els dissenys de cachés amb dades i etiquetes juntes són un primer pas, però encara pateixen per tenir una alta latència, especialment en cachés amb un grau alt d'associativitat. En aquesta tesi es proposa l'estudi d'una tècnica anomenada Tag Cache, un mecanisme distribuït d'emmagatzematge d'etiquetes, que redueix la latència de les operacions de lectura d'etiquetes en les memòries caché DRAM. Cada Tag Cache, que resideix a L2, emmagatzema la informació de les vies que s'han accedit recentment de les memòries caché DRAM. D'aquesta manera es pot aprofitar la localitat temporal d'una caché DRAM, fet que contribueix en promig en un 46% dels encerts en les caché DRAM

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

Dynamic Thermal Management for Microprocessors

In deep submicron era, thermal hot spots and large temperature gradients significantly impact system reliability, performance, cost and leakage power. Dynamic thermal management techniques are designed to tackle the problems and control the chip temperature as well as power consumption. They refer to those techniques which enable the chip to autonomously modify the task execution and power dissipation characteristics so that lower-cost cooling solutions could be adopted while still guaranteeing safe temperature regulation. As long as the temperature is regulated, the system reliability can be improved, leakage power can be reduced and cooling system lifetime can be extended significantly. Multimedia applications are expected to form the largest portion of workload in general purpose PC and portable devices. The ever-increasing computation intensity of multimedia applications elevates the processor temperature and consequently impairs the reliability and performance of the system. In this thesis, we propose to perform dynamic thermal management using reinforcement learning algorithm for multimedia applications. The presented learning model does not need any prior knowledge of the workload information or the system thermal and power characteristics. It learns the temperature change and workload switching patterns by observing the temperature sensor and event counters on the processor, and finds the management policy that provides good performance-thermal tradeoff during the runtime. As the system complexity increases, it is more and more difficult to perform thermal management in a centralized manner because of state explosion and the overhead of monitoring the entire chip. In this thesis, we present a framework for distributed thermal management in many-core systems where balanced thermal profile can be achieved by proactive task migration among neighboring cores. The framework has a low cost agent residing in each core that observes the local workload and temperature and communicates with its nearest neighbor for task migration and exchange. By choosing only those migration requests that will result in balanced workload without generating thermal emergency, the presented framework maintains workload balance across the system and avoids unnecessary migration. Experimental results show that, our distributed management policy achieves almost the same performance as a global management policy when the tasks are initially randomly distributed. Compared with existing proactive task migration technique, our approach generates less hotspot, less migration overhead with negligible performance overhead. Temperature affects the leakage power and cooling power. In this thesis, we address the impact of task allocation on a processor\u27s leakage power and cooling fan power. Although the leakage power is determined by the average die temperature and the fan power is determined by the peak temperature, our analysis shows that the overall power can be minimized if a task allocation with minimum peak temperature is adopted together with an intelligent fan speed adjustment technique that finds the optimal tradeoff between fan power and leakage power. We further present a multi-agent distributed task migration technique that searches for the best task allocation during runtime. By choosing only those migration requests that will result chip maximum temperature reduction, the presented framework achieves large fan power savings as well as overall power reduction

Performance and power management for multi-core processors

This dissertation addresses the problem of power and performance management for various computing systems, from single voltage island multicore processors to power constrained extreme scale cloud systems. Balancing power and performance in modern computing systems is a complex optimization problem. This challenge is addressed by the statement of this thesis: Improving performance and power consumption in modern computing systems will require new techniques, and the body of control theories can provide the basis for such solutions. This thesis developed dynamic models for throughput and power that adjust well to workload variations. Those models are general and can be applied to various kinds of computing frameworks. Based on those models, we use feedback controllers for throughput regulation and power regulation. The controllers are based on integrators for variable gain designed for stabilizing the closed-loop system as well as for rapidly responding to changing workload in short time frames. The feedback control is robust with respect to model uncertainties and computing errors in the loop, and they exhibit fast convergence despite such errors. This thesis addresses the performance and power management through three main contributions: 1. Effective and efficient power & performance management techniques in a single voltage island multi-core processor. 2. Maximizing power efficiency under a power cap in a multi-core processor that is composed of several voltage islands. 3. A hierarchical power management technique to improve performance and energy efficiency under power budgets in a cloud system.Ph.D