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

Reuse Detector: Improving the management of STT-RAM SLLCs

Various constraints of Static Random Access Memory (SRAM) are leading to consider new memory technologies as candidates for building on-chip shared last-level caches (SLLCs). Spin-Transfer Torque RAM (STT-RAM) is currently postulated as the prime contender due to its better energy efficiency, smaller die footprint and higher scalability. However, STT-RAM also exhibits some drawbacks, like slow and energy-hungry write operations that need to be mitigated before it can be used in SLLCs for the next generation of computers. In this work, we address these shortcomings by leveraging a new management mechanism for STT-RAM SLLCs. This approach is based on the previous observation that although the stream of references arriving at the SLLC of a Chip MultiProcessor (CMP) exhibits limited temporal locality, it does exhibit reuse locality, i.e. those blocks referenced several times manifest high probability of forthcoming reuse. As such, conventional STT-RAM SLLC management mechanisms, mainly focused on exploiting temporal locality, result in low efficient behavior. In this paper, we employ a cache management mechanism that selects the contents of the SLLC aimed to exploit reuse locality instead of temporal locality. Specifically, our proposal consists in the inclusion of a Reuse Detector (RD) between private cache levels and the STT-RAM SLLC. Its mission is to detect blocks that do not exhibit reuse, in order to avoid their insertion in the SLLC, hence reducing the number of write operations and the energy consumption in the STT-RAM. Our evaluation, using multiprogrammed workloads in quad-core, eight-core and 16-core systems, reveals that our scheme reports on average, energy reductions in the SLLC in the range of 37–30%, additional energy savings in the main memory in the range of 6–8% and performance improvements of 3% (quad-core), 7% (eight-core) and 14% (16-core) compared with an STT-RAM SLLC baseline where no RD is employed. More importantly, our approach outperforms DASCA, the state-of-the-art STT-RAM SLLC management, reporting—depending on the specific scenario and the kind of applications used—SLLC energy savings in the range of 4–11% higher than those of DASCA, delivering higher performance in the range of 1.5–14% and additional improvements in DRAM energy consumption in the range of 2–9% higher than DASCA

Two-Level Address Storage and Address Prediction

Abstract.: The amount of information recorded in the prediction tables of the address predictors turns out to be comparable to current on-chip cache sizes. To reduce their area cost, we consider the spatial-locality property of memory references. We propose to split the addresses in two parts (high-order bits and low-order bits) and record them in different tables. This organization allows to record only once every unique high-order bits. We use it in a last-address predictor and our evaluations show that it produces significant area-cost reductions (28%-60%) without performance decreases.

Recovery Mechanism for Latency Misprediction

Signalling result availability from the functional units to the instruction scheduler can increase the cycle time and/or the effective latency of the instructions. The knowledge of all instruction latencies would allow the instruction scheduler to operate without the need of external signalling. However, the latency of some instructions is unknown; but, the scheduler can optimistically predict the latency of these instructions and issue speculatively their dependent instructions. Although prediction techniques have great performance potential, their gain can vanish due to misprediction handling. For instance, holding speculatively scheduled instructions in the issue queue reduces its capacity to lookahead for independent instructions. This paper evaluates a recovery mechanism for latency mispredictions that retains the speculatively issued instructions in a structure apart from the issue queue: the recovery buffer. When data becomes available after a latency misprediction, the dependent instructions will be re-issued from the recovery buffer. Moreover, in order to simplify the reissue logic of the recovery buffer, the instructions will be recorded in issue order. On mispredictions, the recovery buffer increases the effective capacity of the issue queue to hold instructions waiting for operands. Our evaluations in integer benchmarks show that the recovery-buffer mechanism reduces issue-queue size requirements about 20-25%. Also, this mechanism is less sensitive to the verification delay than the recovery mechanism that retains the instructions in the issue queue. 1

Olivé, A mechanism for verifying data speculation

Abstract. High-performance processors use data-speculation to reduce the execution time of programs. Data-speculation depends on some kind of prediction, and allows the speculative execution of a chain of dependent instructions. On a misprediction, a recovery mechanism must reissue the speculatively issued instructions. Some recovery mechanisms rely on keeping each instruction in the Issue Queue (IQ) until it is known that the instruction has used correct data. However, their authors either assume that the IQ and the Reorder Buffer (ROB) are unified, or do not detail how the instructions are removed from the IQ before reaching the ROB head entry. We propose the Verification Issue Queue (VIQ), a mechanism fed with a verification flow graph; the VIQ decides if an instruction can either be removed from the IQ or must be re-issued; the VIQ also allows decoupling the IQ from the ROB. Our evaluations, in the context of load address prediction, show that the verification mechanism is crucial for exploiting the performance potential of data speculation, and that the kind of graph used by the VIQ has a performance impact similar to reducing first-level cache latency by one cycle.

Split last-address predictor

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