Adaptive runtime-assisted block prefetching on chip-multiprocessors

Memory stalls are a significant source of performance degradation in modern processors. Data prefetching is a widely adopted and well studied technique used to alleviate this problem. Prefetching can be performed by the hardware, or be initiated and controlled by software. Among software controlled prefetching we find a wide variety of schemes, including runtime-directed prefetching and more specifically runtime-directed block prefetching. This paper proposes a hybrid prefetching mechanism that integrates a software driven block prefetcher with existing hardware prefetching techniques. Our runtime-assisted software prefetcher brings large blocks of data on-chip with the support of a low cost hardware engine, and synergizes with existing hardware prefetchers that manage locality at a finer granularity. The runtime system that drives the prefetch engine dynamically selects which cache to prefetch to. Our evaluation on a set of scientific benchmarks obtains a maximum speed up of 32 and 10 % on average compared to a baseline with hardware prefetching only. As a result, we also achieve a reduction of up to 18 and 3 % on average in energy-to-solution.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Graph Locality Prefetcher for Graph Database

This work presents a hardware prefetcher to improve the performance of accessing graph data representing large and complex networks. We represent complex networks as graphs, and queries amount to traversals on the graph. Unlike conventional memory hierarchies that exploit spatial and temporal locality, we observe that graph traversals do not necessarily exhibit these same notions of locality. This results in degraded performance of the memory hierarchy. Consequently, our hardware prefetcher exploits locality that is intrinsic to graph traversals, which we call graph-locality to improve the performance of the memory hierarchy. We design and evaluate our prototype using a micro-architectural simulator, and deploy benchmarks from GDBench that is oriented to evaluate the performance of graph database systems.1 yea

An accurate prefetching policy for object oriented systems

PhD ThesisIn the latest high-performance computers, there is a growing requirement for accurate prefetching(AP) methodologies for advanced object management schemes in virtual memory and migration systems. The major issue for achieving this goal is that of finding a simple way of accurately predicting the objects that will be referenced in the near future and to group them so as to allow them to be fetched same time. The basic notion of AP involves building a relationship for logically grouping related objects and prefetching them, rather than using their physical grouping and it relies on demand fetching such as is done in existing restructuring or grouping schemes. By this, AP tries to overcome some of the shortcomings posed by physical grouping methods. Prefetching also makes use of the properties of object oriented languages to build inter and intra object relationships as a means of logical grouping. This thesis describes how this relationship can be established at compile time and how it can be used for accurate object prefetching in virtual memory systems. In addition, AP performs control flow and data dependency analysis to reinforce the relationships and to find the dependencies of a program. The user program is decomposed into prefetching blocks which contain all the information needed for block prefetching such as long branches and function calls at major branch points. The proposed prefetching scheme is implemented by extending a C++ compiler and evaluated on a virtual memory simulator. The results show a significant reduction both in the number of page fault and memory pollution. In particular, AP can suppress many page faults that occur during transition phases which are unmanageable by other ways of fetching. AP can be applied to a local and distributed virtual memory system so as to reduce the fault rate by fetching groups of objects at the same time and consequently lessening operating system overheads.British Counci

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

Fast recursive matrix multiplication for multi-core architectures

AbstractIn this article, we present a fast algorithm for matrix multiplication optimized for recent multicore architectures. The implementation exploits different methodologies from parallel programming, like recursive decomposition, efficient low-level implementations of basic blocks, software prefetching, and task scheduling resulting in a multilevel algorithm with adaptive features. Measurements on different systems and comparisons with GotoBLAS, Intel Math Kernel Library (IMKL), and AMD Core Math Library (AMCL) show that the matrix implementation presented has a very high efficiency

Compiler Assisted Cache Prefetch Using Procedure Call Hierarchy

Microprocessor performance has been increasing at an exponential rate while memory system performance improved at a linear rate. This widening difference in performances is increasingly rendering advances in computer architecture less useful as more instructions spend more time waiting for data to be fetched from the memory after a cache miss. Data prefetching is a technique that avoids some cache misses by bringing data into the cache before it is actually needed. Different approaches to data prefetching have been developed, however existing prefetch schemes do not eliminate all cache misses and even with smaller cache miss ratio, miss latency remains an important performance limiter. In this thesis, we propose a technique called Compiler Assisted Cache Prefetch Using Procedure Call Hierarchy (CAPPH). It is a hardware-software prefetch technique that uses a compiler to provide information pertaining to data structure layout, data-flow and procedure-call hierarchy of the program to a mechanism that prefetches linked data structures (LDS). It can prefetch data for procedures even before they are called by using this statically generated information. It is also capable of issuing prefetches for recursive functions that access LDS and arbitrary access sequences which are otherwise difficult to prefetch. The scheme is simulated using RSIML, a SPARC v8 simulator. Benchmarks em3d, health and mst from the Olden suite were used. The scheme was compared with an otherwise identical system with no prefetch and one using sequential prefetch. Simulations were performed to measure CAPPH performance and the decrease in the miss ratio of loads accessing LDS. Statistics of individual loads were collected, and accuracy, coverage and timeliness were measured against varying cache size and latency. Results from individual loads accessing linked data structures show considerable decrease in their miss ratios and average access times. CAPPH is found to be more accurate than sequential prefetch. The coverage and timeliness are lower in CAPPH than in sequential prefetch. We suggest heuristics to further enhance the effectiveness of the prefetch technique

Virtual Machine Support for Many-Core Architectures: Decoupling Abstract from Concrete Concurrency Models

The upcoming many-core architectures require software developers to exploit concurrency to utilize available computational power. Today's high-level language virtual machines (VMs), which are a cornerstone of software development, do not provide sufficient abstraction for concurrency concepts. We analyze concrete and abstract concurrency models and identify the challenges they impose for VMs. To provide sufficient concurrency support in VMs, we propose to integrate concurrency operations into VM instruction sets. Since there will always be VMs optimized for special purposes, our goal is to develop a methodology to design instruction sets with concurrency support. Therefore, we also propose a list of trade-offs that have to be investigated to advise the design of such instruction sets. As a first experiment, we implemented one instruction set extension for shared memory and one for non-shared memory concurrency. From our experimental results, we derived a list of requirements for a full-grown experimental environment for further research

Practical Prefetching Techniques for Multiprocessor File Systems

Improvements in the processing speed of multiprocessors are outpacing improvements in the speed of disk hardware. Parallel disk I/O subsystems have been proposed as one way to close the gap between processor and disk speeds. In a previous paper we showed that prefetching and caching have the potential to deliver the performance benefits of parallel file systems to parallel applications. In this paper we describe experiments with practical prefetching policies that base decisions only on on-line reference history, and that can be implemented efficiently. We also test the ability of these policies across a range of architectural parameters