Analyzing Instructtion Based Cache Replacement Policies

The increasing speed gap between microprocessors and off-chip DRAM makes last-level caches (LLCs) a critical component for computer performance. Multi core processors aggravate the problem since multiple processor cores compete for the LLC. As a result, LLCs typically consume a significant amount of the die area and effective utilization of LLCs is mandatory for both performance and power efficiency. We present a novel replacement policy for last-level caches (LLCs). The fundamental observation is to view LLCs as a shared resource among multiple address streams with each stream being generated by a static memory access instruction. The management of LLCs in both single-core and multi-core processors can then be modeled as a competition among multiple instructions. In our proposed scheme, we prioritize those instructions based on the number of LLC accesses and reuses and only allow cache lines having high instruction priorities to replace those of low priorities. The hardware support for our proposed replacement policy is light-weighted. Our experimental results based on a set of SPEC 2006 benchmarks show that it achieves significant performance improvement upon the least-recently used (LRU) replacement policy for benchmarks with high numbers of LLC misses. To handle LRU-friendly workloads, the set sampling technique is adopted to retain the benefits from the LRU replacement policy

Computer-language based data prefetching techniques

Data prefetching has long been used as a technique to improve access times to persistent data. It is based on retrieving data records from persistent storage to main memory before the records are needed. Data prefetching has been applied to a wide variety of persistent storage systems, from file systems to Relational Database Management Systems and NoSQL databases, with the aim of reducing access times to the data maintained by the system and thus improve the execution times of the applications using this data. However, most existing solutions to data prefetching have been based on information that can be retrieved from the storage system itself, whether in the form of heuristics based on the data schema or data access patterns detected by monitoring access to the system. There are multiple disadvantages of these approaches in terms of the rigidity of the heuristics they use, the accuracy of the predictions they make and / or the time they need to make these predictions, a process often performed while the applications are accessing the data and causing considerable overhead. In light of the above, this thesis proposes two novel approaches to data prefetching based on predictions made by analyzing the instructions and statements of the computer languages used to access persistent data. The proposed approaches take into consideration how the data is accessed by the higher-level applications, make accurate predictions and are performed without causing any additional overhead. The first of the proposed approaches aims at analyzing instructions of applications written in object-oriented languages in order to prefetch data from Persistent Object Stores. The approach is based on static code analysis that is done prior to the application execution and hence does not add any overhead. It also includes various strategies to deal with cases that require runtime information unavailable prior to the execution of the application. We integrate this analysis approach into an existing Persistent Object Store and run a series of extensive experiments to measure the improvement obtained by prefetching the objects predicted by the approach. The second approach analyzes statements and historic logs of the declarative query language SPARQL in order to prefetch data from RDF Triplestores. The approach measures two types of similarity between SPARQL queries in order to detect recurring query patterns in the historic logs. Afterwards, it uses the detected patterns to predict subsequent queries and launch them before they are requested to prefetch the data needed by them. Our evaluation of the proposed approach shows that it high-accuracy prediction and can achieve a high cache hit rate when caching the results of the predicted queries.Precargar datos ha sido una de las técnicas más comunes para mejorar los tiempos de acceso a datos persistentes. Esta técnica se basa en predecir los registros de datos que se van a acceder en el futuro y cargarlos del almacenimiento persistente a la memoria con antelación a su uso. Precargar datos ha sido aplicado en multitud de sistemas de almacenimiento persistente, desde sistemas de ficheros a bases de datos relacionales y NoSQL, con el objetivo de reducir los tiempos de acceso a los datos y por lo tanto mejorar los tiempos de ejecución de las aplicaciones que usan estos datos. Sin embargo, la mayoría de los enfoques existentes utilizan predicciones basadas en información que se encuentra dentro del mismo sistema de almacenimiento, ya sea en forma de heurísticas basadas en el esquema de los datos o patrones de acceso a los datos generados mediante la monitorización del acceso al sistema. Estos enfoques presentan varias desventajas en cuanto a la rigidez de las heurísticas usadas, la precisión de las predicciones generadas y el tiempo que necesitan para generar estas predicciones, un proceso que se realiza con frecuencia mientras las aplicaciones acceden a los datos y que puede tener efectos negativos en el tiempo de ejecución de estas aplicaciones. En vista de lo anterior, esta tesis presenta dos enfoques novedosos para precargar datos basados en predicciones generadas por el análisis de las instrucciones y sentencias del lenguaje informático usado para acceder a los datos persistentes. Los enfoques propuestos toman en consideración cómo las aplicaciones acceden a los datos, generan predicciones precisas y mejoran el rendimiento de las aplicaciones sin causar ningún efecto negativo. El primer enfoque analiza las instrucciones de applicaciones escritas en lenguajes de programación orientados a objetos con el fin de precargar datos de almacenes de objetos persistentes. El enfoque emplea análisis estático de código hecho antes de la ejecución de las aplicaciones, y por lo tanto no afecta negativamente el rendimiento de las mismas. El enfoque también incluye varias estrategias para tratar casos que requieren información de runtime no disponible antes de ejecutar las aplicaciones. Además, integramos este enfoque en un almacén de objetos persistentes y ejecutamos una serie extensa de experimentos para medir la mejora de rendimiento que se puede obtener utilizando el enfoque. Por otro lado, el segundo enfoque analiza las sentencias y logs del lenguaje declarativo de consultas SPARQL para precargar datos de triplestores de RDF. Este enfoque aplica dos medidas para calcular la similtud entre las consultas del lenguaje SPARQL con el objetivo de detectar patrones recurrentes en los logs históricos. Posteriormente, el enfoque utiliza los patrones detectados para predecir las consultas siguientes y precargar con antelación los datos que necesitan. Nuestra evaluación muestra que este enfoque produce predicciones de alta precisión y puede lograr un alto índice de aciertos cuando los resultados de las consultas predichas se guardan en el caché.Postprint (published version

Computer-language based data prefetching techniques

Data prefetching has long been used as a technique to improve access times to persistent data. It is based on retrieving data records from persistent storage to main memory before the records are needed. Data prefetching has been applied to a wide variety of persistent storage systems, from file systems to Relational Database Management Systems and NoSQL databases, with the aim of reducing access times to the data maintained by the system and thus improve the execution times of the applications using this data. However, most existing solutions to data prefetching have been based on information that can be retrieved from the storage system itself, whether in the form of heuristics based on the data schema or data access patterns detected by monitoring access to the system. There are multiple disadvantages of these approaches in terms of the rigidity of the heuristics they use, the accuracy of the predictions they make and / or the time they need to make these predictions, a process often performed while the applications are accessing the data and causing considerable overhead. In light of the above, this thesis proposes two novel approaches to data prefetching based on predictions made by analyzing the instructions and statements of the computer languages used to access persistent data. The proposed approaches take into consideration how the data is accessed by the higher-level applications, make accurate predictions and are performed without causing any additional overhead. The first of the proposed approaches aims at analyzing instructions of applications written in object-oriented languages in order to prefetch data from Persistent Object Stores. The approach is based on static code analysis that is done prior to the application execution and hence does not add any overhead. It also includes various strategies to deal with cases that require runtime information unavailable prior to the execution of the application. We integrate this analysis approach into an existing Persistent Object Store and run a series of extensive experiments to measure the improvement obtained by prefetching the objects predicted by the approach. The second approach analyzes statements and historic logs of the declarative query language SPARQL in order to prefetch data from RDF Triplestores. The approach measures two types of similarity between SPARQL queries in order to detect recurring query patterns in the historic logs. Afterwards, it uses the detected patterns to predict subsequent queries and launch them before they are requested to prefetch the data needed by them. Our evaluation of the proposed approach shows that it high-accuracy prediction and can achieve a high cache hit rate when caching the results of the predicted queries.Precargar datos ha sido una de las técnicas más comunes para mejorar los tiempos de acceso a datos persistentes. Esta técnica se basa en predecir los registros de datos que se van a acceder en el futuro y cargarlos del almacenimiento persistente a la memoria con antelación a su uso. Precargar datos ha sido aplicado en multitud de sistemas de almacenimiento persistente, desde sistemas de ficheros a bases de datos relacionales y NoSQL, con el objetivo de reducir los tiempos de acceso a los datos y por lo tanto mejorar los tiempos de ejecución de las aplicaciones que usan estos datos. Sin embargo, la mayoría de los enfoques existentes utilizan predicciones basadas en información que se encuentra dentro del mismo sistema de almacenimiento, ya sea en forma de heurísticas basadas en el esquema de los datos o patrones de acceso a los datos generados mediante la monitorización del acceso al sistema. Estos enfoques presentan varias desventajas en cuanto a la rigidez de las heurísticas usadas, la precisión de las predicciones generadas y el tiempo que necesitan para generar estas predicciones, un proceso que se realiza con frecuencia mientras las aplicaciones acceden a los datos y que puede tener efectos negativos en el tiempo de ejecución de estas aplicaciones. En vista de lo anterior, esta tesis presenta dos enfoques novedosos para precargar datos basados en predicciones generadas por el análisis de las instrucciones y sentencias del lenguaje informático usado para acceder a los datos persistentes. Los enfoques propuestos toman en consideración cómo las aplicaciones acceden a los datos, generan predicciones precisas y mejoran el rendimiento de las aplicaciones sin causar ningún efecto negativo. El primer enfoque analiza las instrucciones de applicaciones escritas en lenguajes de programación orientados a objetos con el fin de precargar datos de almacenes de objetos persistentes. El enfoque emplea análisis estático de código hecho antes de la ejecución de las aplicaciones, y por lo tanto no afecta negativamente el rendimiento de las mismas. El enfoque también incluye varias estrategias para tratar casos que requieren información de runtime no disponible antes de ejecutar las aplicaciones. Además, integramos este enfoque en un almacén de objetos persistentes y ejecutamos una serie extensa de experimentos para medir la mejora de rendimiento que se puede obtener utilizando el enfoque. Por otro lado, el segundo enfoque analiza las sentencias y logs del lenguaje declarativo de consultas SPARQL para precargar datos de triplestores de RDF. Este enfoque aplica dos medidas para calcular la similtud entre las consultas del lenguaje SPARQL con el objetivo de detectar patrones recurrentes en los logs históricos. Posteriormente, el enfoque utiliza los patrones detectados para predecir las consultas siguientes y precargar con antelación los datos que necesitan. Nuestra evaluación muestra que este enfoque produce predicciones de alta precisión y puede lograr un alto índice de aciertos cuando los resultados de las consultas predichas se guardan en el caché

Combining Local And Global History For High Performance Data Prefetching

In this paper, we present our design of a high performance prefetcher, which exploits various localities in both local cache-miss streams (misses generated from the same instruction) and the global cache-miss address stream (the misses from different instructions). Besides the stride and context localities that have been exploited in previous work, we identify new data localities and incorporate novel prefetching algorithms into our design. In this work, we also study the (largely overlooked) importance of eliminating redundant prefetches. We use logic to remove local (by the same instruction) redundant prefetches and we use a Bloom filter or miss status handling registers (MSHRs) to remove global (by all instructions) redundant prefetches. We evaluate three different design points of the proposed architecture, trading off performance for complexity and latency efficiency. Our experimental results based on a set of SPEC 2006 benchmarks show that the proposed design significantly improves the performance (over 1.6X for our highest performance design point) at a small hardware cost for various processor, cache and memory bandwidth configurations

Combining Local and Global History for High Performance Data Prefetching

In this paper, we present our design for a high performance prefetcher, which exploits various localities in both local cache-miss streams (misses generated from the same instruction) and the global cache-miss address stream (the misses from different instructions). Besides the stride and context localities that have been exploited in previous work, we identify new data localities and incorporate novel prefetching algorithms into our design. In this work, we also study the (largely overlooked) importance of eliminating redundant prefetches. We use logic to remove local (by the same instruction) redundant prefetches and we use a Bloom filter or MSHRs to remove global (by all instructions) redundant prefetches. We evaluate three different design points for the proposed architecture, trading off performance for complexity and latency efficiency. Our experimental results based on a set of SPEC 2006 benchmarks show that we improve performance (over 1.6X for our highest performance design point) for various processor configurations, which model different cache capacity and memory access bandwidth. 1