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

Adaptive prefetch for multicores

[EN] Current multicore systems implement various hardware prefetchers since prefetching can significantly hide the huge main memory latencies. However, memory bandwidth is a scarce resource which becomes critical with the increasing core count.Therefore, prefetchers must smartly regulate their aggressiveness to make an efficient use of this shared resource. Recent research has proposed to throttle up/down the prefetcher aggressiveness level, considering local and global system information gathered at the memory controller. However, in memory-hungry mixes, keeping active the prefetchers even with the lowest aggressiveness can, in some cases, damage the system performance and increase the energy consumption. This Master's Thesis proposes the ADP prefetcher, which, unlike previous proposals, turns off the prefetcher in specific cores when no local benefits are expected or it is adversely interfering with other cores. The key component of ADP is the activation policy which must foresee when prefetching will be beneficial without the prefetcher being active. The proposed policies are orthogonal to the prefetcher mechanism implemented in the microprocessor. The proposed prefetcher improves both performance and energy with respect to a state-of-the-art adaptive prefetcher in both memory-bandwidth hungry workloads and in workloads combining memory hungry with CPU intensive applications. Compared to a state-of-the-art prefetcher, the proposal almost halves the increase in main memory requests caused by prefetching while improving the performance by 4.46% on average, and with significantly less DRAM energy consumption[ES] Los sistemas multinúcleo actuales implementan diversos mecanismos hardware de prebúsqueda ya que contribuyen a ocultar significativamente las enormes latencias de los accesos a memoria principal. No obstante, el ancho de banda de memoria es un recurso escaso, y se convierte en un importante cuello de botella al incrementarse el número de núcleos. Por lo tanto, los mecanismos de prebúsqueda deben regular inteligentemente su agresividad para hacer un uso eficiente de este recurso compartido. Otro trabajos recientes proponen mecanismos para ajustar el nivel de agresividad del mecanismo de prebúsqueda, teniendo en cuenta tanto información local al núcleo como información global obtenida del controlador de memoria. Sin embargo, en cargas con un gran número de accesos a memoria, mantener activa la prebúsqueda, incluso con los niveles de agresividad más bajos puede, en algunos casos, perjudicar el rendimiento del sistema y aumentar el consumo de energía. Esta Tesina de Master propone ADP, un novedoso mecanismo de prebúsqueda adaptativa que, a diferencia de propuestas anteriores, se desactiva en los núcleos en los que no se espera que mejore las prestaciones o en los que está interfiriendo negativamente con otros núcleos. El componente clave de ADP es la política de activación, ya que debe de ser capaz de prever cuando la prebúsqueda va a aportar beneficios sin que esta esté activa. Además, las políticas propuestas son ortogonales al mecanismo de prebúsqueda implementado en el microprocesador. El mecanismo de prebúsqueda propuesto mejora tanto el rendimiento como el consumo de energía con respecto al estado del arte en prebúsqueda adaptativa, tanto en cargas con un alto consumo de ancho de banda como en cargas que combinan este tipo de cargas con otras que hacen un uso intensivo de la CPU. En comparación, nuestra propuesta reduce prácticamente a la mitad el aumento en los accesos a memoria principal causados por la prebúsqueda. Esta mejora en el rendimiento, de media un 4,46 \%, se consigue con una significativa reducción en el consumo de energía. (español) Current multicore systems implement various hardware prefetchers since prefetching can significantly hide the huge main memory latencies. However, memory bandwidth is a scarce resource which becomes critical with the increasing core count.Therefore, prefetchers must smartly regulate their aggressiveness to make an efficient use of this shared resource.Selfa Oliver, V. (2014). Adaptive prefetch for multicores. http://hdl.handle.net/10251/59527Archivo delegad

Adaptive runtime-assisted block prefetching on chip-multiprocessors

Memory stalls are a significant source of performance degradation in modern processors. Data prefetching is a widely adopted and well studied technique used to alleviate this problem. Prefetching can be performed by the hardware, or be initiated and controlled by software. Among software controlled prefetching we find a wide variety of schemes, including runtime-directed prefetching and more specifically runtime-directed block prefetching. This paper proposes a hybrid prefetching mechanism that integrates a software driven block prefetcher with existing hardware prefetching techniques. Our runtime-assisted software prefetcher brings large blocks of data on-chip with the support of a low cost hardware engine, and synergizes with existing hardware prefetchers that manage locality at a finer granularity. The runtime system that drives the prefetch engine dynamically selects which cache to prefetch to. Our evaluation on a set of scientific benchmarks obtains a maximum speed up of 32 and 10 % on average compared to a baseline with hardware prefetching only. As a result, we also achieve a reduction of up to 18 and 3 % on average in energy-to-solution.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Prebúsqueda adaptativa en un chip multiprocesador

La prebúsqueda agresiva ha demostrado ser una técnica eficiente para mejorar el rendimiento de los sistemas monoprocesador. Sin embargo, en sistemas multiprocesador con un último nivel de memoria cache compartido (LLC), la actividad de prebúsqueda inducida por un núcleo consume recursos comunes como espacio en la LLC y ancho de banda. Esto puede degradar el rendimiento del resto de núcleos e incluso el rendimiento general del sistema. Por tanto, la prebúsqueda hardware en un multiprocesador que tiene un último nivel de cache compartido (LLC) es un reto. En este trabajo presentamos ABS, un mecanismo de bajo coste que adecúa la agresividad de la prebúsqueda de cada uno de los núcleos en cada uno de los bancos de la LLC de un chip multiprocesador. El mecanismo se ejecuta de forma independiente en cada banco de la LLC usando sólo información local. A intervalos temporales regulares un núcleo es seleccionado y la tasa de fallos del banco y la utilidad de la prebúsqueda de dicho núcleo son muestreadas. Estas métricas son utilizadas para ajustar la agresividad de la prebúsqueda asociada al núcleo elegido. Nuestros análisis con cargas multiprogramadas de SPEC2K6 muestran que el mecanismo mejora tanto las métricas de usuario (el tiempo medio de retorno un 27% y la equidad un 11%) como las de sistema (la productividad agregada mejora un 22% y el ancho de banda consumido se reduce un 14%) con respecto a un sistema base con ocho núcleos que usa prebúsqueda secuencial marcada de grado fijo. Los resultados son consistentes cuando se utiliza un sistema con dieciséis núcleos o cuando comparamos nuestro mecanismo con propuestas previas

RowCore: A Processing-Near-Memory Architecture for Big Data Machine Learning

The technology-push of die stacking and application-pull of Big Data machine learning (BDML) have created a unique opportunity for processing-near-memory (PNM). This paper makes four contributions: (1) While previous PNM work explores general MapReduce workloads, we identify three workload characteristics: (a) irregular-and-compute-light (i.e., perform only a few operations per input word which include data-dependent branches and indirect memory accesses); (b) compact (i.e., the computation has a small intermediate live data and uses only a small amount of contiguous input data); and (c) memory-row-dense (i.e., process the input data without skipping over many bytes). We show that BDMLs have or can be transformed to have these characteristics which, except for irregularity, are necessary for bandwidth- and energyefficient PNM, irrespective of the architecture. (2) Based on these characteristics, we propose RowCore, a row-oriented PNM architecture, which (pre)fetches and operates on entire memory rows to exploit BDMLs’ row-density. Instead of this row-centric access and compute-schedule, traditional architectures opportunistically improve row locality while fetching and operating on cache blocks. (3) RowCore employs well-known MIMD execution to handle BDMLs’ irregularity, and sequential prefetch of input data to hide memory latency. In RowCore, however, one corelet prefetches a row for all the corelets which may stray far from each other due to their MIMD execution. Consequently, a leading corelet may prematurely evict the prefetched data before a lagging corelet has consumed the data. RowCore employs novel cross-corelet flow-control to prevent such eviction. (4) RowCore further exploits its flow-controlled prefetch for frequency scaling based on novel coarse-grain compute-memory rate-matching which decreases (increases) the processor clock speed when the prefetch buffers are empty (full). Using simulations, we show that RowCore improves performance and energy, by 135% and 20% over a GPGPU with prefetch, and by 35% and 34% over a multicore with prefetch, when all three architectures use the same resources (i.e., number of cores, and on-processor-die memory) and identical diestacking (i.e., GPGPUs/multicores/RowCore and DRAM)

Memory hierarchies for future HPC architectures

Efficiently managing the memory subsystem of modern multi/manycore architectures is increasingly becoming a challenge as systems grow in complexity and heterogeneity. In the field of high performance computing (HPC) in particular, where massively parallel architectures are used and input sets of several terabytes are common, careful management of the memory hierarchy is crucial to exploit the full computing power of these systems. The goal of this thesis is to provide computer architects with valuable information to guide the design of future systems, and in particular of those more widely used in the field of HPC, i.e., symmetric multicore processors (SMPs) and GPUs. With that aim, we present an analysis of some of the inefficiencies and shortcomings of current memory management techniques and propose two novel schemes leveraging the opportunities that arise from the use of new and emerging programming models and computing paradigms. The first contribution of this thesis is a block prefetching mechanism for task-based programming models. Using a task-based programming model simplifies parallel programming and allows for better resource utilization in the supercomputers used in the field of HPC, while enabling sophisticated memory management techniques. The scheme proposed relies on a memory-aware runtime system to guide prefetching while avoiding the main drawbacks of traditional prefetching mechanisms, i.e., cache pollution and lack of timeliness. It leverages the information provided by the user about tasks¿ input data to prefetch contiguous blocks of memory that are certain to be useful. The proposed scheme targets SMPs with large cache hierarchies and uses heuristics to dynamically decide the best cache level to prefetch into without evicting useful data. The focus of this thesis then turns to heterogeneous architectures combining GPUs and traditional multicore processors. The current trend towards tighter coupling of GPU and CPU enables new collaborative computations that tax the memory subsystem in a different manner than previous heterogeneous computations did, and requires careful analysis to understand the trade-offs that are to be expected when designing future memory organizations. The second contribution is an in-depth analysis on the impact of sharing the last-level cache between GPU and CPU cores on a system where the GPU is integrated on the same die as the CPU. The analysis focuses on the effect that a shared cache can have on collaborative computations where GPU and CPU threads concurrently work on a problem and share data at fine granularities. The results presented here show that sharing the last-level cache is largely beneficial as it allows for better resource utilization. In addition, the evaluation shows that collaborative computations benefit significantly from the faster CPU-GPU communication and higher cache hit rates that a shared cache level provides. The final contribution of this thesis analyzes the inefficiencies and drawbacks of demand paging as currently implemented in discrete GPUs by NVIDIA. Then, it proposes a novel memory organization and dynamic migration scheme that allows for efficient data sharing between GPU and CPU, specially when executing collaborative computations where data is migrated back and forth between the two separate memories. This scheme migrates data at cache line granularities transparently to the user and operating system, avoiding false sharing and the unnecessary data transfers that occur with demand paging. The results show that the proposed scheme is able to outperform the baseline system by reducing the migration latency of data that is copied multiple times between the two memories. In addition, analysis of different interconnect latencies shows that fine-grained data sharing between GPU and CPU is feasible as long as future interconnect technologies achieve four to five times lower round-trip times than PCI-Express 3.0.La gestión eficiente del subsistema de memoria se ha convertido en un problema complejo a la vez que los sistemas crecen en complejidad y heterogeneidad. En el campo de la computación de altas prestaciones (HPC) en particular, donde arquitecturas masivamente paralelas son usadas y entradas de varios terabytes son comunes, una gestión cuidadosa de la jerarquía de memoria es crucial para conseguir explotar todo el potencial de estas arquitecturas. El objetivo de esta tesis es proporcionar a los arquitectos de computadores información valiosa para el diseño de los sistemas del futuro, y en concreto de los más comúnmente usados en el campo de HPC, los procesadores multinúcleo simétricos (SMP) y las tarjetas gráficas (GPU). Para ello, presentamos un análisis de las ineficiencias y los inconvenientes de los sistemas de gestión de memoria actuales, y proponemos dos técnicas nuevas que aprovechan las oportunidades surgidas del uso de nuevos y emergentes modelos de programación y paradigmas de computación. La primera contribución de esta tesis es un mecanismo de prefetch de bloques para modelos de programación basados en tareas. Usando modelos de programación orientados a tareas simplifica la programación paralela y permite hacer un mejor uso de los recursos en los supercomputadores usados en HPC, mientras permiten el uso de sofisticados mecanismos de gestión de memoria. La técnica propuesta se basa en un sistema de runtime para guiar el prefetch de datos mientras evita los principales inconvenientes tradicionalmente asociados con prefetching, la polución de cache y la medida incorrecta de los tiempos. El mecanismo utiliza la información sobre las entradas de las tareas proporcionada por el usuario para prefetchear bloques contiguos de memoria sobre los que hay certeza que serán utilizados. El mecanismo está dirigido a arquitecturas SMP con amplias jerarquías de cache, y usa heurísticas para decidir dinámicamente en qué nivel de caché colocar los datos sin desplazar datos útiles. El focus de la tesis gira luego a arquitecturas heterogéneas que combinan GPUs con procesadores multinúcleo tradicionales. La actual tendencia a unir GPU y CPU permite el uso de una nueva serie de computaciones colaborativas que afectan al subsistema de memoria de forma diferente que las computaciones heterogéneas anteriores, y requiere de un cuidadoso análisis para entender las consecuencias que esto tiene en el diseño de las organizaciones de memoria futuras. La segunda contribución de la tesis es un análisis detallado del impacto que supone compartir el último nivel de cache entre núcleos de GPU y CPU en sistemas donde la GPU está integrada en el mismo chip que la CPU. El análisis se centra en el efecto que la cache compartida tiene en colaboraciones colaborativas donde hilos de GPU y CPU trabajan concurrentemente en un problema y comparten datos a grano fino. Los resultados presentados en esta tesis muestran que compartir el último nivel de cache es mayormente beneficioso ya que permite un mejor uso de los recursos. Además, la evaluación muestra que las computaciones colaborativas se benefician en gran medida de la comunicación más rápida entre GPU y CPU y las mayores tasas de acierto de cache que un nivel de cache compartido proporcionan

Efficiently mapping high-performance early vision algorithms onto multicore embedded platforms

The combination of low-cost imaging chips and high-performance, multicore, embedded processors heralds a new era in portable vision systems. Early vision algorithms have the potential for highly data-parallel, integer execution. However, an implementation must operate within the constraints of embedded systems including low clock rate, low-power operation and with limited memory. This dissertation explores new approaches to adapt novel pixel-based vision algorithms for tomorrow's multicore embedded processors. It presents : - An adaptive, multimodal background modeling technique called Multimodal Mean that achieves high accuracy and frame rate performance with limited memory and a slow-clock, energy-efficient, integer processing core. - A new workload partitioning technique to optimize the execution of early vision algorithms on multi-core systems. - A novel data transfer technique called cat-tail dma that provides globally-ordered, non-blocking data transfers on a multicore system. By using efficient data representations, Multimodal Mean provides comparable accuracy to the widely used Mixture of Gaussians (MoG) multimodal method. However, it achieves a 6.2x improvement in performance while using 18% less storage than MoG while executing on a representative embedded platform. When this algorithm is adapted to a multicore execution environment, the new workload partitioning technique demonstrates an improvement in execution times of 25% with only a 125 ms system reaction time. It also reduced the overall number of data transfers by 50%. Finally, the cat-tail buffering technique reduces the data-transfer latency between execution cores and main memory by 32.8% over the baseline technique when executing Multimodal Mean. This technique concurrently performs data transfers with code execution on individual cores, while maintaining global ordering through low-overhead scheduling to prevent collisions.Ph.D.Committee Chair: Wills, Scott; Committee Co-Chair: Wills, Linda; Committee Member: Bader, David; Committee Member: Davis, Jeff; Committee Member: Hamblen, James; Committee Member: Lanterman, Aaro