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

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

Performance Improvement of Multithreaded Java Applications Execution on Multiprocessor Systems

El disseny del llenguatge Java, que inclou aspectes importants com són la seva portabilitat i neutralitat envers l'arquitectura, les seves capacitats multithreading, la seva familiaritat (degut a la seva semblança amb C/C++), la seva robustesa, les seves capacitats en seguretat i la seva naturalesa distribuïda, fan que sigui un llenguatge potencialment interessant per ser utilitzat en entorns paral·lels com són els entorns de computació d'altes prestacions (HPC), on les aplicacions poden treure profit del suport que ofereix Java a l'execució multithreaded per realitzar càlculs en paral·lel, o en entorns e-business, on els servidors Java multithreaded (que segueixen l'especificació J2EE) poden treure profit de les capacitats multithreading de Java per atendre de manera concurrent un gran nombre de peticions.No obstant, l'ús de Java per la programació paral·lela ha d'enfrontar-se a una sèrie de problemes que fàcilment poden neutralitzar el guany obtingut amb l'execució en paral·lel. El primer problema és el gran overhead provocat pel suport de threads de la JVM quan s'utilitzen threads per executar feina de gra fi, quan es crea un gran nombre de threads per suportar l'execució d'una aplicació o quan els threads interaccionen estretament mitjançant mecanismes de sincronització. El segon problema és la degradació en el rendiment produïda quan aquestes aplicacions multithreaded s'executen en sistemes paral·lels multiprogramats. La principal causa d'aquest problemes és la manca de comunicació entre l'entorn d'execució i les aplicacions, la qual pot induir a les aplicacions a fer un ús descoordinat dels recursos disponibles.Aquesta tesi contribueix amb la definició d'un entorn per analitzar i comprendre el comportament de les aplicacions Java multithreaded. La contribució principal d'aquest entorn és que la informació de tots els nivells involucrats en l'execució (aplicació, servidor d'aplicacions, JVM i sistema operatiu) està correlada. Aquest fet és molt important per entendre com aquest tipus d'aplicacions es comporten quan s'executen en entorns que inclouen servidors i màquines virtuals, donat que l'origen dels problemes de rendiment es pot trobar en qualsevol d'aquests nivells o en la seva interacció.Addicionalment, i basat en el coneixement adquirit mitjançant l'entorn d'anàlisis proposat, aquesta tesi contribueix amb mecanismes i polítiques de planificació orientats cap a l'execució eficient d'aplicacions Java multithreaded en sistemes multiprocessador considerant les interaccions i la coordinació dels mecanismes i les polítiques de planificació en els diferents nivells involucrats en l'execució. La idea bàsica consisteix en permetre la cooperació entre les aplicacions i l'entorn d'execució en la gestió de recursos establint una comunicació bi-direccional entre les aplicacions i el sistema. Per una banda, les aplicacions demanen a l'entorn d'execució la quantitat de recursos que necessiten. Per altra banda, l'entorn d'execució pot ser inquirit en qualsevol moment per les aplicacions ser informades sobre la seva assignació de recursos. Aquesta tesi proposa que les aplicacions utilitzin la informació proporcionada per l'entorn d'execució per adaptar el seu comportament a la quantitat de recursos que tenen assignats (aplicacions auto-adaptables). Aquesta adaptació s'assoleix en aquesta tesi per entorns HPC per mitjà de la mal·leabilitat de les aplicacions, i per entorns e-business amb una proposta de control de congestió que fa control d'admissió basat en la diferenciació de connexions SSL per prevenir la degradació del rendiment i mantenir la Qualitat de Servei (QoS).Els resultats de l'avaluació demostren que subministrar recursos de manera dinàmica a les aplicacions auto-adaptables en funció de la seva demanda millora el rendiment de les aplicacions Java multithreaded tant en entorns HPC com en entorns e-business. Mentre disposar d'aplicacions auto-adaptables evita la degradació del rendiment, el subministrament dinàmic de recursos permet satisfer els requeriments de les aplicacions en funció de la seva demanda i adaptar-se a la variabilitat de les seves necessitats de recursos. D'aquesta manera s'aconsegueix una millor utilització dels recursos donat que els recursos que no utilitza una aplicació determinada poden ser distribuïts entre les altres aplicacions.The design of the Java language, which includes important aspects such as its portability and architecture neutrality, its multithreading facilities, its familiarity (due to its resemblance with C/C++), its robustness, its security capabilities and its distributed nature, makes it a potentially interesting language to be used in parallel environments such as high performance computing (HPC) environments, where applications can benefit from the Java multithreading support for performing parallel calculations, or e-business environments, where multithreaded Java application servers (i.e. following the J2EE specification) can take profit of Java multithreading facilities to handle concurrently a large number of requests.However, the use of Java for parallel programming has to face a number of problems that can easily offset the gain due to parallel execution. The first problem is the large overhead incurred by the threading support available in the JVM when threads are used to execute fine-grained work, when a large number of threads are created to support the execution of the application or when threads closely interact through synchronization mechanisms. The second problem is the performance degradation occurred when these multithreaded applications are executed in multiprogrammed parallel systems. The main issue that causes these problems is the lack of communication between the execution environment and the applications, which can cause these applications to make an uncoordinated use of the available resources.This thesis contributes with the definition of an environment to analyze and understand the behavior of multithreaded Java applications. The main contribution of this environment is that all levels in the execution (application, application server, JVM and operating system) are correlated. This is very important to understand how this kind of applications behaves when executed on environments that include servers and virtual machines, because the origin of performance problems can reside in any of these levels or in their interaction.In addition, and based on the understanding gathered using the proposed analysis environment, this thesis contributes with scheduling mechanisms and policies oriented towards the efficient execution of multithreaded Java applications on multiprocessor systems considering the interactions and coordination between scheduling mechanisms and policies at the different levels involved in the execution. The basis idea consists of allowing the cooperation between the applications and the execution environment in the resource management by establishing a bi-directional communication path between the applications and the underlying system. On one side, the applications request to the execution environment the amount of resources they need. On the other side, the execution environment can be requested at any time by the applications to inform them about their resource assignments. This thesis proposes that applications use the information provided by the execution environment to adapt their behavior to the amount of resources allocated to them (self-adaptive applications). This adaptation is accomplished in this thesis for HPC environments through the malleability of the applications, and for e-business environments with an overload control approach that performs admission control based on SSL connections differentiation for preventing throughput degradation and maintaining Quality of Service (QoS).The evaluation results demonstrate that providing resources dynamically to self-adaptive applications on demand improves the performance of multithreaded Java applications as in HPC environments as in e-business environments. While having self-adaptive applications avoids performance degradation, dynamic provision of resources allows meeting the requirements of the applications on demand and adapting to their changing resource needs. In this way, better resource utilization is achieved because the resources not used by some application may be distributed among other applications

Optimizing virtual machine scheduling in NUMA multicore systems

An increasing number of new multicore systems use the Non-Uniform Memory Access architecture due to its scalable memory performance. However, the complex interplay among data locality, contention on shared on-chip memory resources, and cross-node data sharing overhead, makes the delivery of an optimal and predictable program performance difficult. Vir-tualization further complicates the scheduling problem. Due to abstract and inaccurate mappings from virtual hardware to machine hardware, program and system-level optimizations are often not effective within virtual machines. We find that the penalty to access the “uncore ” memory subsystem is an effective metric to predict program perfor-mance in NUMA multicore systems. Based on this metric, we add NUMA awareness to the virtual machine scheduling. We propose a Bias Random vCPU Migration (BRM) algorithm that dynamically migrates vCPUs to minimize the system-wide uncore penalty. We have implemented the scheme in the Xen virtual machine monitor. Experiment results on a two-way Intel NUMA multicore system with various workloads show that BRM is able to improve application performance by up to 31.7 % compared with the default Xen credit scheduler. More-over, BRM achieves predictable performance with, on average, no more than 2 % runtime variations. 1

APPLICATION OF SECRETARY ALGORITHM TO DYNAMIC LOAD BALANCING IN USER-SPACE ON MULTICORE SYSTEMS

In recent years, multicore processors have been so prevalent in many types ofsystems and are now widely used even in commodities for a wide range of applications.Although multicore processors are clearly a popular hardware solution to problems thatwere not possible with traditional single-core processors, taking advantage of them areinevitably met by software challenges. As Amdahl’s law puts it, the performance gain islimited by the percentage of the software that cannot be run in parallel on multiple cores.Even when an application is “embarrassingly” parallelized by a careful design ofalgorithm and implementation, load balancing of tasks across different cores is a veryimportant and critical aspect in utilizing a multicore system as close to its fullest potentialas possible.In this paper, we investigate how a solution to a cardinal payoff variant of thesecretary problem can be applied to a proactive, decentralized, dynamic load balancingtechnique in user-space to assist single program, multiple data (SPMD) applications inmultiprogrammed environment so that all tasks can make roughly equal progressdistributed over all cores. We examine how this method compares with the default Linuxload balancer in terms of scalability and predictability. Our experiments show promisingresults that show our technique outperforms the default Linux scheduler by an average 40%speedup in multiprogrammed environment with less time variance among multipleexecutions

Improving the SLLC Efficiency by exploiting reuse locality and adjusting prefetch

Desde los teléfonos móviles inteligentes hasta nuestro ordenador portátil los sistemas electrónicos que incluyen chips multiprocesador (CMP) están presentes en nuestra vida cotidiana de una manera abrumadora. Los CMPs contienen varios núcleos o CPUs que tienen que ser alimentados con datos provenientes de la memoria. Pero la velocidad a la que los núcleos que forman el CMP necesitan los datos es mucho mayor que la velocidad a la que la memoria es capaz de proporcionar dichos datos. De hecho, esta diferencia ha ido aumentando desde prácticamente el día en el que ambos dispositivos fueron concebidos. Esta diferencia en el rendimiento de ambos dispositivos se ha venido a llamar "the memory gap". Al mismo tiempo que dicha diferencia aumentaba, los lenguajes de programación proporcionaban a los programadores modelos de memoria que podían acceder a un espacio prácticamente infinito y al que, además, se accedía de manera instantánea. Pero el tamaño de cualquier estructura hardware está íntimamente relacionado con su tiempo de acceso y éste será mayor cuanto mayor sea el tamaño la estructura hardware a acceder. Con el ánimo de deshacer esta aparente contradicción, los arquitectos de computadores incluyeron memorias intermedias entre las CPUs y la grande, aunque al mismo tiempo lenta, memoria principal. Estas memorias intermedias se denominan memorias cache o simplemente caches. Debido a la gran diferencia que existe entre la velocidad del procesador y la de la memoria principal. Los CMPs en la actualidad están provistos de una jerarquía de memorias cache que tiene dos o tres niveles. Las caches que están cerca del procesador sólo contienen unos pocos kilobytes (entre 4 y 64) accesibles en uno o pocos ciclos de reloj, mientras que las que se encuentran más alejadas del procesador pueden llegar a contener varios megabytes y tener un tiempo de acceso de varias decenas de ciclos. Los programas al ser ejecutados muestran una propiedad llamada localidad que se expresa en los ejes espacial y temporal. La localidad temporal es la propiedad que dice que el programa volverá a usar datos que usó recientemente, cuanto más recientemente los usó, más probable es que vuelva a hacerlo. Mientras que la localidad espacial es la propiedad que dice que el programa tenderá a usar datos que están próximos en el espacio de memoria a datos que usó recientemente. Las memorias cache han sido diseñadas tradicionalmente para explotar la localidad. En concreto, la localidad temporal se explotaba mediante una adecuada política de reemplazo, mientras que la localidad espacial se explota al contener cada bloque de cache varios datos o palabras. Un modo adicional de conseguir explotar una mayor cantidad de localidad espacial es mediante el uso de la técnica llamada prebúsqueda. La política de reemplazo influye de manera crítica en la tasa de aciertos de la memoria cache. En un CMP provisto de una jerarquía de memorias cache, la localidad temporal se explota en aquellos niveles más cercanos a los núcleos. Así que muchos de los bloques insertados en la SLLC son de un solo uso, es decir, estos bloques no experimentarán ningún acierto más durante todo el tiempo que permanezcan en la SLLC. Sin embargo, aquellos bloques que lleguen a experimentar un acierto en la SLLC, normalmente experimentarán muchos más aciertos. Por lo tanto, que la política de reemplazo base sus decisiones en la posible explotación de la localidad temporal, es una asunción inválida cuando hablamos de la SLLC. Por el contrario, Este comportamiento indica que dicha política de reemplazo de la SLLC debería estar basada en el reúso1 en lugar de en la localidad temporal. La prebúsqueda hardware tiene por objetivo cargar en la cache datos antes de que sea el procesador quien los pida. La validez de esta técnica a la hora de reducir la latencia media de acceso a memoria ha sido ampliamente demostrada. La prebúsqueda funciona especialmente bien en las jerarquías de memoria de sistemas monoprocesador, donde solamente hay un flujo de datos entre el procesador y la memoria. Sin embargo, cuando la prebúsqueda se usa en un sistema multiprocesador donde diferentes aplicaciones se están ejecutando al mismo tiempo, las prebúsquedas asociadas a un núcleo podrían interferir con los datos cargados en la cache por otro núcleo, provocando la eliminación de los contenidos de otra aplicación y dañando su rendimiento. Es necesario por tanto un mecanismo para regular la prebúsqueda asociada a cada uno de los núcleos. Este mecanismo debería tener por objetivo el mejorar el rendimiento general del sistema. 1 Aunque el DRAE no contenga su definición, usaremos aquí el verbo reusar (así como sus formas derivadas) como sinónimo de volver a utilizar. Cada fallo en la SLLC provoca un acceso a la memoria principal que se encuentra fuera del chip. Además la memoria principal está hecha de chips de DRAM. Ambos factores incrementan su latencia de acceso, latencia que se suma a cada uno de los accesos que falla en la SLLC, penalizando a la vez la latencia media de acceso a memoria. Por lo tanto, la tasa de aciertos de la SLLC es un factor crítico para lograr una latencia media de acceso a memoria óptima. Esta tesis fija su atención en la eficiencia de los dos aspectos comentados con anterioridad: la eficiencia de la prebúsqueda y la eficiencia de la política de reemplazo. Las contribuciones principales de esta tesis son las siguientes: 1) Enunciamos una propiedad llamada localidad de reúso que dice que i) los bloques de cache que hayan sido usados más de una vez tienen una alta probabilidad de ser usados muchas veces en el futuro. ii) Los bloques de cache recientemente reusados son más útiles que otros reúsados previamente. Defendemos en esta tesis que el patrón de acceso a la SLLC muestra localidad de reúso. 2) En esta tesis se proponen dos algoritmos de reemplazo capaces de explotar la localidad de reúso, Least-recently reused (LRR) y Not-recently reused (NRR). Estos dos nuevos algoritmos son modificaciones de otros dos muy bien conocidos: Least-recently used (LRU) y Not-recently used (NRU). Dichos algoritmos fueron diseñados para explotar la localidad temporal, mientras que los nuestros explotan la local- idad de reúso. Las modificaciones propuestas no suponen ninguna sobrecarga hardware respecto a los algoritmos base. Durante esta tesis se muestra que nuestros algoritmos mejoran consistentemente el rendimiento de los originales. 3) Proponemos un novedoso diseño para la SLLC llamado Reuse Cache. En este diseño los arrays de etiquetas y datos de la cache están desacoplados. Solamente se almacenan en el array de datos aquellos bloques que hayan mostrado reúso. El array de etiquetas se usa para detectar reúso y mantener la coherencia. Esta estructura permite reducir el tamaño del array de datos de manera drástica. Como ejemplo, una Reuse Cache con un array de etiquetas equivalente al de una cache convencional de 4MB y un array de datos de 1MB, tiene el mismo rendimiento medio que una cache convencional de 8MB, pero con un ahorro de almacenamiento de en torno al 84%. 4) Un controlador de bajo coste llamado ABS capaz de ajustar la agresividad de la prebúsqueda asociada a cada uno de los núcleos de un CMP pero con el ánimo de mejorar el rendimiento general del sistema. El controlador funciona de manera aislada en cada uno de los bancos de la SLLC y recoge métricas locales. Para optimizar el rendimiento global del sistema busca la combinación óptima de valores de la agresividad de prebúsqueda. Para inferir cuál es esa combinación óptima usa una estrategia de búsqueda hill-climbing

Memory Subsystem Optimization Techniques for Modern High-Performance General-Purpose Processors

abstract: General-purpose processors propel the advances and innovations that are the subject of humanity’s many endeavors. Catering to this demand, chip-multiprocessors (CMPs) and general-purpose graphics processing units (GPGPUs) have seen many high-performance innovations in their architectures. With these advances, the memory subsystem has become the performance- and energy-limiting aspect of CMPs and GPGPUs alike. This dissertation identifies and mitigates the key performance and energy-efficiency bottlenecks in the memory subsystem of general-purpose processors via novel, practical, microarchitecture and system-architecture solutions. Addressing the important Last Level Cache (LLC) management problem in CMPs, I observe that LLC management decisions made in isolation, as in prior proposals, often lead to sub-optimal system performance. I demonstrate that in order to maximize system performance, it is essential to manage the LLCs while being cognizant of its interaction with the system main memory. I propose ReMAP, which reduces the net memory access cost by evicting cache lines that either have no reuse, or have low memory access cost. ReMAP improves the performance of the CMP system by as much as 13%, and by an average of 6.5%. Rather than the LLC, the L1 data cache has a pronounced impact on GPGPU performance by acting as the bandwidth filter for the rest of the memory subsystem. Prior work has shown that the severely constrained data cache capacity in GPGPUs leads to sub-optimal performance. In this thesis, I propose two novel techniques that address the GPGPU data cache capacity problem. I propose ID-Cache that performs effective cache bypassing and cache line size selection to improve cache capacity utilization. Next, I propose LATTE-CC that considers the GPU’s latency tolerance feature and adaptively compresses the data stored in the data cache, thereby increasing its effective capacity. ID-Cache and LATTE-CC are shown to achieve 71% and 19.2% speedup, respectively, over a wide variety of GPGPU applications. Complementing the aforementioned microarchitecture techniques, I identify the need for system architecture innovations to sustain performance scalability of GPG- PUs in the face of slowing Moore’s Law. I propose a novel GPU architecture called the Multi-Chip-Module GPU (MCM-GPU) that integrates multiple GPU modules to form a single logical GPU. With intelligent memory subsystem optimizations tailored for MCM-GPUs, it can achieve within 7% of the performance of a similar but hypothetical monolithic die GPU. Taking a step further, I present an in-depth study of the energy-efficiency characteristics of future MCM-GPUs. I demonstrate that the inherent non-uniform memory access side-effects form the key energy-efficiency bottleneck in the future. In summary, this thesis offers key insights into the performance and energy-efficiency bottlenecks in CMPs and GPGPUs, which can guide future architects towards developing high-performance and energy-efficient general-purpose processors.Dissertation/ThesisDoctoral Dissertation Computer Science 201

Adaptive, efficient, parallel execution of parallel programs

Abstract Future multicore processors will be heterogeneous, be increasingly less reliable, and operate in dynamically changing operating conditions. Such environments will result in a constantly varying pool of hardware resources which can greatly complicate the task of efficiently exposing a program's parallelism onto these resources. Coupled with this uncertainty is the diverse set of efficiency metrics that users may desire. This paper proposes Varuna, a system that dynamically, continuously, rapidly and transparently adapts a program's parallelism to best match the instantaneous capabilities of the hardware resources while satisfying different efficiency metrics. Varuna is applicable to both multithreaded and task-based programs and can be seamlessly inserted between the program and the operating system without needing to change the source code of either. We demonstrate Varuna's effectiveness in diverse execution environments using unaltered C/C++ parallel programs from various benchmark suites. Regardless of the execution environment, Varuna always outperformed the state-of-the-art approaches for the efficiency metrics considered

Write management mechanisms for systems with non-volatile memory technologies

Since the beginning of computer systems, the memory subsystem has always been one of their essential components. However, the different pace of change between microprocessor and memory has become one of the greatest challenges that current designers have to address in order to develop more powerful computer systems. This problem, called memory gap, is further compounded by the limited scalability and the high energy consumption of conventional memory technologies (DRAM and SRAM), which has leaded to consider new nonvolatile memory (NVM) technologies as potential candidates to replace them. Among NVMs, PCM and STTRAM are currently postulated as the best alternatives. Although PCM and STT-RAM have significant advantages over DRAM and SRAM, they also suffer from some drawbacks that need to be mitigated before they can both be employed as memory technologies for the next computers generation. Notably, the slow and energy-hungry write operations on both technologies, and the limited endurance of PCM cells, which become unchangeable after performing a relatively reduced amount of writes on them, are the main constraints of PCM and STT-RAM technologies. This thesis presents two proposals aimed to efficiently manage the write operations on this kind of memories.Resumen de la tesis presentada por el autor para obtener el título de Doctor en Ingeniería Informática (Universidad Complutense de Madrid, España).Es revisión de: http://repositorio.conicit.go.cr:8080/xmlui/handle/123456789/207Facultad de Informátic