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

Introducing a Data Sliding Mechanism for Cooperative Caching in Manycore Architectures

International audienceIn this paper, we propose a new cooperative caching method improving the cache miss rate for manycore micro- architec- tures. The work is motivated by some limitations of recent adaptive cooperative caching proposals. Elastic Cooperative caching (ECC), is a dynamic memory partitioning mechanism that allows sharing cache across cooperative nodes according to the application behavior. However, it is mainly limited with cache eviction rate in case of highly stressed neighbor- hood. Another system, the adaptive Set-Granular Cooperative Caching (ASCC), is based on finer set-based mechanisms for a better adaptability. However, heavy localized cache loads are not efficiently managed. In such a context, we propose a cooperative caching strategy that consists in sliding data through closer neighbors. When a cache receives a storing request of a neighbor's private block, it spills the least recently used private data to a close neighbor. Thus, solicited saturated nodes slide local blocks to their respective neighbors to always provide free cache space. We also propose a new Priority- based Data Replacement policy to decide efficiently which blocks should be spilled, and a new mechanism to choose host destination called Best Neighbor selector. The first analytic performance evaluation shows that the proposed cache management policies reduce by half the average global communication rate. As frequent accesses are focused in the neighboring zones, it efficiently improves on-Chip traffic. Finally, our evaluation shows that cache miss rate is en- hanced: each tile keeps the most frequently accessed data 1- Hop close to it, instead of ejecting them Off-Chip. Proposed techniques notably reduce the cache miss rate in case of high solicitation of the cooperative zone, as it is shown in the performed experiments

Novel Cache Hierarchies with Photonic Interconnects for Chip Multiprocessors

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

Jigsaw: Scalable software-defined caches

Shared last-level caches, widely used in chip-multi-processors (CMPs), face two fundamental limitations. First, the latency and energy of shared caches degrade as the system scales up. Second, when multiple workloads share the CMP, they suffer from interference in shared cache accesses. Unfortunately, prior research addressing one issue either ignores or worsens the other: NUCA techniques reduce access latency but are prone to hotspots and interference, and cache partitioning techniques only provide isolation but do not reduce access latency.United States. Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA PERFECT contract HR0011-13-2-0005)Quanta Computer (Firm

Adaptive memory-side last-level GPU caching

Emerging GPU applications exhibit increasingly high computation demands which has led GPU manufacturers to build GPUs with an increasingly large number of streaming multiprocessors (SMs). Providing data to the SMs at high bandwidth puts significant pressure on the memory hierarchy and the Network-on-Chip (NoC). Current GPUs typically partition the memory-side last-level cache (LLC) in equally-sized slices that are shared by all SMs. Although a shared LLC typically results in a lower miss rate, we find that for workloads with high degrees of data sharing across SMs, a private LLC leads to a significant performance advantage because of increased bandwidth to replicated cache lines across different LLC slices. In this paper, we propose adaptive memory-side last-level GPU caching to boost performance for sharing-intensive workloads that need high bandwidth to read-only shared data. Adaptive caching leverages a lightweight performance model that balances increased LLC bandwidth against increased miss rate under private caching. In addition to improving performance for sharing-intensive workloads, adaptive caching also saves energy in a (co-designed) hierarchical two-stage crossbar NoC by power-gating and bypassing the second stage if the LLC is configured as a private cache. Our experimental results using 17 GPU workloads show that adaptive caching improves performance by 28.1% on average (up to 38.1%) compared to a shared LLC for sharing-intensive workloads. In addition, adaptive caching reduces NoC energy by 26.6% on average (up to 29.7%) and total system energy by 6.1% on average (up to 27.2%) when configured as a private cache. Finally, we demonstrate through a GPU NoC design space exploration that a hierarchical two-stage crossbar is both more power- and area-efficient than full and concentrated crossbars with the same bisection bandwidth, thus providing a low-cost cooperative solution to exploit workload sharing behavior in memory-side last-level caches