Randomized cache placement for eliminating conflicts

Applications with regular patterns of memory access can experience high levels of cache conflict misses. In shared-memory multiprocessors conflict misses can be increased significantly by the data transpositions required for parallelization. Techniques such as blocking which are introduced within a single thread to improve locality, can result in yet more conflict misses. The tension between minimizing cache conflicts and the other transformations needed for efficient parallelization leads to complex optimization problems for parallelizing compilers. This paper shows how the introduction of a pseudorandom element into the cache index function can effectively eliminate repetitive conflict misses and produce a cache where miss ratio depends solely on working set behavior. We examine the impact of pseudorandom cache indexing on processor cycle times and present practical solutions to some of the major implementation issues for this type of cache. Our conclusions are supported by simulations of a superscalar out-of-order processor executing the SPEC95 benchmarks, as well as from cache simulations of individual loop kernels to illustrate specific effects. We present measurements of instructions committed per cycle (IPC) when comparing the performance of different cache architectures on whole-program benchmarks such as the SPEC95 suite.Peer ReviewedPostprint (published version

Cuckoo Directory: A Scalable Directory for Many-Core Systems

Growing core counts have highlighted the need for scalable on-chip coherence mechanisms. The increase in the number of on-chip cores exposes the energy and area costs of scaling the directories. Duplicate-tag based directories require highly associative structures that grow with core count, precluding scalability due to prohibitive power consumption. Sparse directories overcome the power barrier by reducing directory associativity, but require storage area over-provisioning to avoid high invalidation rates. We propose the Cuckoo directory, a power- and area-efficient scalable distributed directory. The cuckoo directory scales to high core counts without the energy costs of wide associative lookup and without gross capacity over-provisioning. Simulation of a 16-core CMP with commercial server and scientific workloads shows that the Cuckoo directory eliminates invalidations while being up to four times more power efficient than the Duplicate-tag directory and 24% more power-efficient and up to seven times more area efficient than the Sparse directory organization. Analytical projections indicate that the Cuckoo directory retains its energy and area benefits with increasing core count, efficiently scaling to at least 1024 cores

An adaptive Markov model for the timing analysis of probabilistic caches

Accurate timing prediction for real-time embedded software execution is becoming a problem due to the increasing complexity of computer architecture, and the presence of mixed-criticality workloads. Probabilistic caches were proposed to set bounds to Worst Case Execution Time (WCET) estimates and help designers improve real-time embedded system resource use. Static Probabilistic Timing Analysis (SPTA) for probabilis- tic caches is nevertheless difficult to perform, because cache accesses depend on execution history, and the computational complexity of SPTA makes it intractable for calculation as the number of accesses increases. In this paper, we explore and improve SPTA for caches with evict-on-miss random replacement policy using a state space modeling technique. A nonhomogeneous Markov model is employed for single-path programs in discrete-time finite state space representation. To make this Markov model tractable, we limit the number of states and use an adaptive method for state modification. Experiments show that compared to the state-of-the-art methodology, the proposed adaptive Markov chain approach provides better results at the occurrence probability of 10^−15: in terms of accuracy, the state-of-the-art SPTA results are more conservative, by 11% more on average. In terms of computation time, our approach is not significantly different from the state-of-the-art SPTA

A Probabilistically Analyzable Cache to Estimate Timing Bounds

RÉSUMÉ - Les architectures informatiques modernes cherchent à accélérer la performance moyenne des logiciels en cours d’exécution. Les caractéristiques architecturales comme : deep pipelines, prédiction de branchement, exécution hors ordre, et hiérarchie des mémoire à multiple niveaux ont un impact négatif sur le logiciel de prédiction temporelle. En particulier, il est difficile, voire impossible, de faire une estimation précise du pire cas de temps d’exécution (WCET) d’un programme ou d’un logiciel en cours d’exécution sur une plateforme informatique particulière. Les systèmes embarqués critiques temps réel (CRTESs), par exemple les systèmes informatiques dans le domaine aérospatiale, exigent des contraintes de temps strictes pour garantir leur fonctionnement opérationnel. L’analyse du WCET est l’idée centrale du développement des systèmes temps réel puisque les systèmes temps réel ont toujours besoin de respecter leurs échéances. Afin de répondre aux exigences du délai, le WCET des tâches des systèmes temps réel doivent être déterminées, et cela est seulement possible si l’architecture informatique est temporellement prévisible. En raison de la nature imprévisible des systems informatiques modernes, il est peu pratique d’utiliser des systèmes informatiques avancés dans les CRTESs. En temps réel, les systèmes ne doivent pas répondre aux exigences de haute performance. Les processeurs conçus pour améliorer la performance des systèmes informatiques en général peuvent ne pas être compatibles avec les exigences pour les systèmes temps réel en raison de problèmes de prédictabilité. Les techniques d’analyse temporelle actuelles sont bien établies, mais nécessitent une connaissance détaillée des opérations internes et de l’état du système pour le matériel et le logiciel. Le manque de connaissances approfondies des opérations architecturales devient un obstacle à l’adoption de techniques déterministes de l’analyse temporelle (DTA) pour mesurer le WCET. Les techniques probabilistes de l’analyse temporelle (PTA) ont, quant à elles, émergé comme les techniques d’analyse temporelle pour la prochaine génération de systèmes temps réel. Les techniques PTA réduisent l’étendue des connaissances nécessaires pour l’exécution d’un logiciel informatique afin d’effectuer des estimations précises du WCET. Dans cette thèse, nous proposons le développement d’une nouvelle technique pour un cache probabilistiquement analysable, tout en appliquant les techniques PTA pour prédire le temps d’exécution d’un logiciel. Dans ce travail, nous avons mis en place une cache aléatoire pour les processeurs MIPS-32 et Leon-3. Nous avons conçu et mis en œuvre les politiques de placement et remplacement aléatoire et appliquer des techniques temporelles probabilistiques pour mesurer le WCET probabiliste (pWCET). Nous avons également mesuré le niveau de pessimisme encouru par les techniques probabilistes et comparé cela avec la configuration du cache déterministe. La prédiction du WCET fournie par les techniques PTA est plus proche de la durée d’exécution réelle du programme. Nous avons comparé les estimations avec les mesures effectuées sur le processeur pour aider le concepteur à évaluer le niveau de pessimisme introduit par l’architecture du cache pour chaque technique d’analyse temporelle probabiliste. Ce travail fait une première tentative de comparaison des analyses temporelles déterministes, statiques et de l’analyse temporelle probabiliste basée sur des mesures pour l’estimation du temps d’execution sous différentes configurations de cache. Nous avons identifié les points forts et les limites de chaque technique pour la prévision du temps d’execution, puis nous avons fourni des directives pour la conception du processeur qui minimisent le pessimisme associé au WCET. Nos expériences montrent que le cache répond à toutes les conditions pour PTA et la prévision du programme peut être déterminée avec une précision arbitraire. Une telle architecture probabiliste offre un potentiel inégalé et prometteur pour les prochaines générations du CRTESs. ---------- ABSTRACT - Modern computer architectures are targeted towards speeding up the average performance of software running on it. Architectural features like: deep pipelines, branch prediction, outof-order execution, and multi-level memory hierarchies have an adverse impact on software timing prediction. Particularly, it is hard or even impossible to make an accurate estimation of the worst case execution-time (WCET) of a program or software running on a particular hardware platform. Critical real-time embedded systems (CRTESs), e.g. computing systems in aerospace require strict timing constraints to guarantee their proper operational behavior. WCET analysis is the central idea of the real-time systems development because real-time systems always need to meet their deadlines. In order to meet the deadline requirements, WCET of the real-time systems tasks must be determined, and this is only possible if the hardware architecture is time-predictable. Due to the unpredictable nature of the modern computing hardware, it is not practical to use advanced computing systems in CRTESs. The real-time systems do not need to meet high-performance requirements. The processor designed to improve average cases performance may not fit the requirements for the real-time systems due to predictability issues. Current timing analysis techniques are well established, but require detailed knowledge of the internal operations and the state of the system for both hardware and software. Lack of in-depth knowledge of the architectural operations become an obstacle for adopting the deterministic timing analysis (DTA) techniques for WCET measurement. Probabilistic timing analysis (PTA) is a technique that emerged for the timing analysis of the next-generation real-time systems. The PTA techniques reduce the extent of knowledge of a software execution platform that is needed to perform the accurate WCET estimations. In this thesis, we propose the development of a new probabilistically analyzable cache and applied PTA techniques for time-prediction. In this work, we implemented a randomized cache for MIPS- 32 and Leon-3 processors. We designed and implemented random placement and replacement policies, and applied probabilistic timing techniques to measure probabilistic WCET (pWCET). We also measured the level of pessimism incurred by the probabilistic techniques and compared it with the deterministic cache configuration. The WCET prediction provided by the PTA techniques is closer to the real execution-time of the program. We compared the estimates with the measurements done on the processor to help the designer to evaluate the level of pessimism introduced by the cache architecture for each probabilistic timing analysis technique. This work makes a first attempt towards the comparison of deterministic, static, and measurement-based probabilistic timing analysis for time-prediction under varying cache configurations. We identify strengths and limitations of each technique for time- prediction, and provide guidelines for the design of the processor that minimize the pessimism associated with WCET. Our experiments show that the cache fulfills all the requirements for PTA and program prediction can be determined with arbitrary accuracy. Such probabilistic computer architecture carries unmatched potential and great promise for next generation CRTESs

Iterative Compilation and Performance Prediction for Numerical Applications

Institute for Computing Systems ArchitectureAs the current rate of improvement in processor performance far exceeds the rate of memory performance, memory latency is the dominant overhead in many performance critical applications. In many cases, automatic compiler-based approaches to improving memory performance are limited and programmers frequently resort to manual optimisation techniques. However, this process is tedious and time-consuming. Furthermore, a diverse range of a rapidly evolving hardware makes the optimisation process even more complex. It is often hard to predict the potential benefits from different optimisations and there are no simple criteria to stop optimisations i.e. when optimal memory performance has been achieved or sufficiently approached. This thesis presents a platform independent optimisation approach for numerical applications based on iterative feedback-directed program restructuring using a new reasonably fast and accurate performance prediction technique for guiding optimisations. New strategies for searching the optimisation space, by means of profiling to find the best possible program variant, have been developed. These strategies have been evaluated using a range of kernels and programs on different platforms and operating systems. A significant performance improvement has been achieved using new approaches when compared to the state-of-the-art native static and platform-specific feedback directed compilers

Static Probabilistic Timing Analysis for Real-Time Embedded Systems in Presence of Faults

RÉSUMÉ Une mémoire cache est le lien entre le processeur et la mémoire principale. Elle permet de réduire considérablement les temps d’accès aux blocs de mémoire dans un système embarqué temps-réel et critique (CRTES), ce qui influence énormément son comportement temporel. Des caches à accès aléatoire—caches avec une politique de remplacement aléatoire—ont été proposées dans le but d’améliorer les estimations du comportement temporel des CRTES, et cela en diminuant les cas pathologiques. Les Measurement Based Probabilistic Timing Analysis (MBPTA) et Static Probabilistic Timing Analysis (SPTA) sont deux méthodes qui ciblent à estimer le pire temps d’exécution (Worst Case Execution Time probabiliste - pWCET) d’une façon probabiliste et sécuritaire pour les caches aléatoires. À travers cette dissertation, on présente des travaux de recherche concernant l’estimation temporelle basée sur la méthode SPTA. L’état de l’art sur les méthodologies SPTA fournissent des estimations sécuritaires et strictes. En revanche, au vu de la réduction d’échelle des technologies des semiconducteurs utilisés pour la mise en oeuvre des composants faisant partie des CRETS, les caches sur puce sont de plus en plus prédisposés aux pannes. Par conséquent, nous avons développé des méthodologies SPTA pour l’estimation des pWCETs en présence de pannes. Nous avons effectué également des évaluations de l’impact de ces fautes sur les comportements temporels. Afin d’examiner les pannes, nous avons modélisé dans un premier temps les pannes transitoires et permanentes. Une panne transitoire représente un changement d’état temporaire. Le système peut ainsi être restauré en utilisant des techniques de détection et de correction des pannes. D’un autre côté, une panne permanente introduit un changement permanent. Elle persiste après son apparition et affecte en conséquence le comportement général du système. Nous avons alors proposé une méthode basée sur les chaînes de Markov afin de modéliser les états de disposition de la mémoire. Pour chaque accès à un bloc de mémoire, le changement de l’état est calculé en utilisant une matrice de transition, tout en tenant compte des impacts des fautes transitoires. Nous avons également utilisé différents types de modèles de la chaîne de Markov pour représenter le système ayant subi un nombres différent de pannes permanentes. Les expériences montrent que notre méthode SPTA assure des résultats précis en présence des pannes transitoires et permanentes.----------ABSTRACT : A cache is typically the bridge between a processor and its main memory. It significantly reduces the access latencies to memory blocks and its timing behavior. Random caches—caches with a random replacement policy—have been proposed to improve timing behavior estimates in critical real-time embedded systems (CRTESs) by reducing pathological cases due to systematic cache misses. Measurement Based Probabilistic Timing Analysis (MBPTA)and Static Probabilistic Timing Analysis (SPTA) aim at providing safe probabilistic Worst Case Execution Time (pWCET) estimates for random caches. In this dissertation, we present research work on timing estimation based on SPTA. State-of-the-art SPTA methodologies produce safe and tight pWCET estimates. However, as semiconductor technology scales down, CRTES components—especially their on-chip caches—become prone to faults. Consequently,we developed SPTA methodologies to estimate pWCETs in the presence of faults, and evaluated the impacts of faults on timing behaviors. To investigate faults, we first defined transient and permanent fault models. A transient fault represents a temporary change of state. The system with transient faults can be recovered using fault detection and correction techniques. A permanent fault represents a permanent change of state. It persists after its occurrence and affects the system’s behavior afterwards. Additionally, we proposed a Markov chain method to model memory layout states. For each memory block access, the state changes are calculated using a transition matrix. The transient fault impacts were integrated into the transition matrix computation, and we used different groups of Markov chain models to represent the system with different number of permanent faults. Experiments showed that our SPTA method provided accurate results in the presence of both transient and permanent faults