超标量乱序处理器稳定状态吞吐率建模

发布时间：2020-04-29 10:00

【摘要】：随着处理器技术的飞速发展,处理器的性能评估逐渐成为学术界和工业界共同关注的焦点。在超标量乱序处理器的性能评估中,稳态性能部分大约占处理器总性能的20%。当前学术界普遍使用基于指令窗口曲线(Instruction Window Curve,IW曲线)的稳定状态吞吐率模型评估处理器的稳态性能,但是这一模型缺乏对指令依赖关系和指令类型的综合考虑,并且模型中存在一个不合理的假设:指令窗口大小等于重排序缓冲区(Reorder Buffer,ROB)大小。本文旨在综合考虑指令依赖关系和指令类型两个维度,建立基于神经网络的稳定状态吞吐率模型,用于快速准确地评估处理器的稳态性能。本文的工作主要包含两个方面:第一,设计实验分析影响稳定状态吞吐率的因素并评估基于IW曲线的稳态吞吐率模型。首先,针对指令依赖关系、指令混合比、流水线宽度以及功能单元数目,分别设计相应的测试程序进行验证、分析;然后,在gem5仿真平台上,复现基于IW曲线的稳态吞吐率模型;最后,从平均指令逗留时间和指令窗口大小两个方面详细分析基于IW曲线的模型存在的不足。第二,建立基于神经网络的稳态吞吐率模型。首先,从指令依赖关系和指令类型出发,在前人建立的关键路径长度理论的基础上,提出一个新的特征维度:依赖链路延迟分布;然后,分析依赖链路延迟分布和稳态吞吐率值的关系并建立基于神经网络的稳定状态吞吐率模型;最后,考虑流水线微架构参数对稳态吞吐率的影响,包括流水线宽度,流水线后端功能单元数目等参数,修正和完善稳态吞吐率模型。本文建立的模型在4种不同的ROB大小配置下,分别采用11种不同的应用对模型的精度进行验证。与gem5仿真结果相比,模型自预测的平均精度大约为94.4%,模型跨应用预测的平均精度在91%左右;与基于IW曲线的稳定状态吞吐率模型相比,本文所建立的模型平均精度提高超过10%;在时间开销方面,模型和gem5仿真器相比,平均可以节省71.42%的时间。
【图文】：

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东南大学硕士学位论文器运行中的一般性规律，它对处理器架构探索不能提供显著的帮助；行机理，提出了针对处理器性能的机理或者统计模型，这类模型在精和架构探索上却拥有巨大的优势。通过建模，研究人员能够根据硬件性能相关的指标，并且能够准确地观察到处理器内部运行时的一般性

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第二章 CPU 流水线与稳态吞吐率建模概述将对前人已经建立的一些稳定状态吞吐率模型进行详细的介绍，主要有以下三个模模型，指令窗口曲线模型，，基于 IW 曲线的稳定状态吞吐率模型。流水线宽度的模型表示使用区间分析方法对处理器运行时的性能部分进行划分，图中横坐标表示时间的 IPC（Instruction per Cycle）值。可以发现，当处理器处于稳态部分时，IPC 值为 D，这就是传统的基于流水线宽度的稳态吞吐率模型，其稳态吞吐率值恒等于 D。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP332

【参考文献】