面向非易失性片上存储的编译技术研究

发布时间：2018-03-23 03:05

本文选题：编译技术　切入点：便签存储器　出处：《武汉大学》2013年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：处理器与片外存储之间的性能差距日益增大,使得片外存储的访问性能成为影响计算性能的瓶颈,称为“存储墙”。为了应对这个挑战,现代商业计算设备中广泛地应用了片上存储的方案,以缓解处理器与存储设备之间的性能差距。片上存储器通常包括片上缓存和便签存储器(Scratch pad memory,SPM)。片上缓存在计算设备中得到非常广泛的应用,包括高性能移动电话、平板电脑、笔记本、台式机以及服务器等。SPM则是一种软件管理的片上存储,通常被应用于能耗和芯片面积受限的嵌入式系统。传统的片上存储通常使用SRAM技术。但是,随着CMOS晶体管的集成度越来越高,SRAM片上存储的泄露功耗日益成为一个非常严峻的问题。并且,SRAM存储单元需要占用较大的芯片面积,也成为制约SRAM技术伸缩能力的一个瓶颈。非易失性存储(Non-volatile memory, NVM),因为具有极低的泄露功耗和较高的存储密度,提供了解决存储器中泄露功耗问题以及伸缩能力的新途径。随着NVM技术的进步,已经有一些新的NVM技术,包括Spin-transfer torque random-access memory(STT-RAM)和Phase change memory (PCM),在访问速度上能够跟SRAM相媲美。综合考虑这些优势,近年来研究者们提出使用NVM技术来构建片上存储。然而,NVM技术通常具有一个很明显的缺陷,就是相比SRAM而言,写操作通常代价很大,即写速度要慢很多,写能耗要高很多。因此,要想将NVM技术应用于片上缓存,就必须想办法来利用NVM的优点同时解决写操作代价很高的问题。本论文的研究表明,可以利用编译技术来充分利用NVM技术在低泄露功耗和高存储密度上的优点,同时缓解写操作代价高带来的问题。具体来说,本论文包括以下三个方面的内容：1)提出一种编译辅助的方法,来改善基于NVM的混合SPM的能耗效率；2)提出一种编译辅助的方法,来改善基于NVM的混合缓存的能耗效率；3)提出一种编译辅助的方法,来改善基于易失性NVM的缓存的能耗效率。针对第一个方面的内容,本文提出一种基于图着色模型的数据分配方法,来改善基于NVM和SRAM的混合SPM的性能。任何一个写操作或者读操作,都具有运行时间的代价和能耗的代价。跟NVM相比,SRAM在具有较高的写性能的同时具有较差的读性能。因此,一个良好的数据分配方法应该根据数据对象的读写频率来为数据对象选择合适的存储类型。此外,生命期不相交的数据对象能够共享存储地址而不会影响程序的正确性。利用这个特点,可以寻找更多的机会将数据对象分配到最适合的存储类型。基于这些考虑,本论文提出了一种称为迭代图着色(Iterative graph-coloring, IGC)的方法将数据对象分配到最合适的存储类型来改善混合SPM的性能。针对第二个方面的内容,提出了一种减少基于NVM和SRAM的混合缓存中的迁移操作的方法,来改善混合缓存的性能。如上所述,跟NVM相比,SRAM在具有较高的写性能的同时具有较差的读性能。混合缓存中通常要利用迁移机制来动态地将写密集的数据块从NVM部分迁移到SRAM部分,从而消除发生在NVM上的代价高昂的写操作。但是,硬件实现的迁移操作是基于简单的预测机制,通过迁移可能的写密集的数据块来实现的。基于这种预测机制的迁移机制可能会导致频繁的迁移操作,造成缓存内部的“抖动”,从而损害系统性能。本论文提出一种编译辅助的方法,识别可能引起过度迁移的数据块,将这些数据块从内存中预取到混合缓存的SRAM部分并加以锁定,从而禁止对这些缓存行进行迁移操作。这样,就可以充分利用SRAM的良好的写性能,同时消除这些数据块引起的频繁的迁移操作带来的代价。针对第三个方面的内容,提出一种减少基于易失性NVM的缓存上的刷新操作的方法,来改善缓存的性能。为了保证易失性的缓存中数据的完整性,刷新机制是不可或缺的。然而,频繁的刷新操作会带来非常显著的代价。分析表明通过数据分配可以影响缓存的刷新操作。这是因为,当程序写入一个数据时,事实上该数据所在的整个缓存块已经全部被隐式地刷新了。基于这个发现,本论文提出借助数据分配来改变程序的写操作在各个缓存块上的分布,利用写操作引起的隐式刷新来减少额外所需的刷新操作,进而改善缓存的性能。
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【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TP314;TP333

【共引文献】