Cooperative cache scrubbing

Managing the limited resources of power and memory bandwidth while improving performance on multicore hardware is challeng-ing. In particular, more cores demand more memory bandwidth, and multi-threaded applications increasingly stress memory sys-tems, leading to more energy consumption. However, we demon-strate that not all memory traffic is necessary. For modern Java pro-grams, 10 to 60 % of DRAM writes are useless, because the data on these lines are dead- the program is guaranteed to never read them again. Furthermore, reading memory only to immediately zero ini-tialize it wastes bandwidth. We propose a software/hardware coop-erative solution: the memory manager communicates dead and zero lines with cache scrubbing instructions. We show how scrubbing instructions satisfy MESI cache coherence protocol invariants and demonstrate them in a Java Virtual Machine and multicore simula-tor. Scrubbing reduces average DRAM traffic by 59%, total DRAM energy by 14%, and dynamic DRAM energy by 57 % on a range of configurations. Cooperative software/hardware cache scrubbing reduces memory bandwidth and improves energy efficiency, two critical problems in modern systems

Extending and Implementing the Self-adaptive Virtual Processor for Distributed Memory Architectures

Many-core architectures of the future are likely to have distributed memory organizations and need fine grained concurrency management to be used effectively. The Self-adaptive Virtual Processor (SVP) is an abstract concurrent programming model which can provide this, but the model and its current implementations assume a single address space shared memory. We investigate and extend SVP to handle distributed environments, and discuss a prototype SVP implementation which transparently supports execution on heterogeneous distributed memory clusters over TCP/IP connections, while retaining the original SVP programming model

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

Design of Efficient TLB-based Data Classification Mechanisms in Chip Multiprocessors

Most of the data referenced by sequential and parallel applications running in current chip multiprocessors are referenced by a single thread, i.e., private. Recent proposals leverage this observation to improve many aspects of chip multiprocessors, such as reducing coherence overhead or the access latency to distributed caches. The effectiveness of those proposals depends to a large extent on the amount of detected private data. However, the mechanisms proposed so far either do not consider either thread migration or the private use of data within different application phases, or do entail high overhead. As a result, a considerable amount of private data is not detected. In order to increase the detection of private data, this thesis proposes a TLB-based mechanism that is able to account for both thread migration and private application phases with low overhead. Classification status in the proposed TLB-based classification mechanisms is determined by the presence of the page translation stored in other core's TLBs. The classification schemes are analyzed in multilevel TLB hierarchies, for systems with both private and distributed shared last-level TLBs. This thesis introduces a page classification approach based on inspecting other core's TLBs upon every TLB miss. In particular, the proposed classification approach is based on exchange and count of tokens. Token counting on TLBs is a natural and efficient way for classifying memory pages. It does not require the use of complex and undesirable persistent requests or arbitration, since when two ormore TLBs race for accessing a page, tokens are appropriately distributed classifying the page as shared. However, TLB-based ability to classify private pages is strongly dependent on TLB size, as it relies on the presence of a page translation in the system TLBs. To overcome that, different TLB usage predictors (UP) have been proposed, which allow a page classification unaffected by TLB size. Specifically, this thesis introduces a predictor that obtains system-wide page usage information by either employing a shared last-level TLB structure (SUP) or cooperative TLBs working together (CUP).La mayor parte de los datos referenciados por aplicaciones paralelas y secuenciales que se ejecutan enCMPs actuales son referenciadas por un único hilo, es decir, son privados. Recientemente, algunas propuestas aprovechan esta observación para mejorar muchos aspectos de los CMPs, como por ejemplo reducir el sobrecoste de la coherencia o la latencia de los accesos a cachés distribuidas. La efectividad de estas propuestas depende en gran medida de la cantidad de datos que son considerados privados. Sin embargo, los mecanismos propuestos hasta la fecha no consideran la migración de hilos de ejecución ni las fases de una aplicación. Por tanto, una cantidad considerable de datos privados no se detecta apropiadamente. Con el fin de aumentar la detección de datos privados, proponemos un mecanismo basado en las TLBs, capaz de reclasificar los datos a privado, y que detecta la migración de los hilos de ejecución sin añadir complejidad al sistema. Los mecanismos de clasificación en las TLBs se han analizado en estructuras de varios niveles, incluyendo TLBs privadas y con un último nivel de TLB compartido y distribuido. Esta tesis también presenta un mecanismo de clasificación de páginas basado en la inspección de las TLBs de otros núcleos tras cada fallo de TLB. De forma particular, el mecanismo propuesto se basa en el intercambio y el cuenteo de tokens (testigos). Contar tokens en las TLBs supone una forma natural y eficiente para la clasificación de páginas de memoria. Además, evita el uso de solicitudes persistentes o arbitraje alguno, ya que si dos o más TLBs compiten para acceder a una página, los tokens se distribuyen apropiadamente y la clasifican como compartida. Sin embargo, la habilidad de los mecanismos basados en TLB para clasificar páginas privadas depende del tamaño de las TLBs. La clasificación basada en las TLBs se basa en la presencia de una traducción en las TLBs del sistema. Para evitarlo, se han propuesto diversos predictores de uso en las TLBs (UP), los cuales permiten una clasificación independiente del tamaño de las TLBs. En concreto, esta tesis presenta un sistema mediante el que se obtiene información de uso de página a nivel de sistema con la ayuda de un nivel de TLB compartida (SUP) o mediante TLBs cooperando juntas (CUP).La major part de les dades referenciades per aplicacions paral·leles i seqüencials que s'executen en CMPs actuals són referenciades per un sol fil, és a dir, són privades. Recentment, algunes propostes aprofiten aquesta observació per a millorar molts aspectes dels CMPs, com és reduir el sobrecost de la coherència o la latència d'accés a memòries cau distribuïdes. L'efectivitat d'aquestes propostes depen en gran mesura de la quantitat de dades detectades com a privades. No obstant això, els mecanismes proposats fins a la data no consideren la migració de fils d'execució ni les fases d'una aplicació. Per tant, una quantitat considerable de dades privades no es detecta apropiadament. A fi d'augmentar la detecció de dades privades, aquesta tesi proposa un mecanisme basat en les TLBs, capaç de reclassificar les dades com a privades, i que detecta la migració dels fils d'execució sense afegir complexitat al sistema. Els mecanismes de classificació en les TLBs s'han analitzat en estructures de diversos nivells, incloent-hi sistemes amb TLBs d'últimnivell compartides i distribuïdes. Aquesta tesi presenta un mecanisme de classificació de pàgines basat en inspeccionar les TLBs d'altres nuclis després de cada fallada de TLB. Concretament, el mecanisme proposat es basa en l'intercanvi i el compte de tokens. Comptar tokens en les TLBs suposa una forma natural i eficient per a la classificació de pàgines de memòria. A més, evita l'ús de sol·licituds persistents o arbitratge, ja que si dues o més TLBs competeixen per a accedir a una pàgina, els tokens es distribueixen apropiadament i la classifiquen com a compartida. No obstant això, l'habilitat dels mecanismes basats en TLB per a classificar pàgines privades depenen de la grandària de les TLBs. La classificació basada en les TLBs resta en la presència d'una traducció en les TLBs del sistema. Per a evitar-ho, s'han proposat diversos predictors d'ús en les TLBs (UP), els quals permeten una classificació independent de la grandària de les TLBs. Específicament, aquesta tesi introdueix un predictor que obté informació d'ús de la pàgina a escala de sistema mitjançant un nivell de TLB compartida (SUP) or mitjançant TLBs cooperant juntes (CUP).Esteve García, A. (2017). Design of Efficient TLB-based Data Classification Mechanisms in Chip Multiprocessors [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/86136TESI

An Efficient Cache Organization for On-Chip Multiprocessor Networks

To meet the growing computation-intensive applications and the needs of low-power, high-performance systems, the number of computing resources in single-chip has enormously increased. By adding many computing resources to build a system in System-on-Chip, its interconnection between each other becomes another challenging issue. In most System-on-Chip applications, a shared bus interconnection which needs an arbitration logic to serialize several bus access requests, is adopted to communicate with each integrated processing unit because of its low-cost and simple control characteristics. This paper focuses on the interconnection design issues of area, power and performance of chip multi-processors with shared cache memory. It shows that having shared cache memory contributes to the performance improvement, however, typical interconnection between cores and the shared cache using crossbar occupies most of the chip area, consumes a lot of power and does not scale efficiently with increased number of cores. New interconnection mechanisms are needed to address these issues. This paper proposes an architectural paradigm in an attempt to gain the advantages of having shared cache with the avoidance of penalty imposed by the crossbar interconnect. The proposed architecture achieves smaller area occupation allowing more space to add additional cache memory. It also reduces power consumption compared to the existing crossbar architecture. Furthermore, the paper presents a modified cache coherence algorithm called Tuned-MESI. It is based on the typical MESI cache coherence algorithm however it is tuned and tailored for the suggested architecture. The achieved results of the conducted simulated experiments show that the developed architecture produces less broadcast operations compared to the typical algorithm

Split private and shared L2 cache architecture for snooping-based CMP

California, US