面向多核共享内存的低功耗研究

发布时间：2017-06-16 00:01

  本文关键词：面向多核共享内存的低功耗研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着科技水平的不断发展,人们对计算能力的要求也随之增高,因此,片上多核处理器已经成为主流处理器发展的趋势。伴随着片上多核处理器集成的核数越来越多,DRAM内存系统承受的压力越来越大。多核系统对主存芯片的容量、工作频率和带宽的需求不断提高,使得内存系统消耗的能量急剧增加。研究表明,DRAM内存系统所占的功耗比例已经超过40%,所消耗的功耗已经接近甚至超过了处理器所消耗的功耗。DRAM内存系统功耗已经是制约将来CMP系统性能发展的主要的因素。另外,片上多个核之间的访存请求交织在一起相互干扰,对共享的内存资源的竞争也逐渐加剧,这又进一步恶化了这种趋势。因此,如何在保证系统性能的前提下,实现内存系统的低功耗,已经成为目前亟待解决的问题。本文针对当前共享内存的多核系统优化方案的研究现状进行分析,发现目前的大多数方案主要是最大化系统性能、最大化公平性、最小化功耗等方面。大多数降低内存功耗的方案主要是建立在牺牲系统性能或者公平性的基础之上,这就像木桶理论,如果不能同时兼顾性能和功耗的优化,单方面的优化也并无实质性的改进。尽管摩尔定律推动着处理器结构不断改进,使得处理器的性能高速发展,但是内存墙问题依然存在,而且这一问题随着片上集成的核数的增多,会变得愈加严重。针对以上情况,为了提高系统性能,降低DRAM内存系统功耗,本文首先提出了一种新型的存储体划分机制-动态存储体划分DBP(Dynamic Bank Partitioning)。DBP根据并行运行的各个线程的访存请求的特点,结合各个线程对Bank数不同的需求,动态地为其制定最佳的Bank划分规则,代替了传统的静态的等量Bank划分。DBP不仅有效地消除了线程间访存请求的相互干扰,而且充分发挥了行局部性和Bank级并行性的优势。为了节省Bank资源,对于访存不密集的线程,DBP并不为其分配专门的Bank。因为这类线程的访存请求个数很少,对来自其他线程的访存请求的干扰很小,故优先处理这类线程的访存请求并让其平等地访问内存系统中所有的Bank。对于访存密集但行局部性原理不明显的应用,DBP着重在这类应用的Bank级并行性和行局部性原理这两方面取得平衡,取得最大的收益。最后对于访存密集且局部性原理强的应用,DBP主要是消除这类应用之间访存请求的相互干扰,保留应用原始的访存请求的特点,充分利用这些应用的访存局部性原理强的特点。第二部分工作,为了进一步降低内存功耗,提高系统性能,本文又提出了基于Bank划分的自适应页策略。Bank划分不仅有效地消除了不同核之间访存请求的相互干扰,保留了并行运行的多个应用的访存请求的原始特点,并且充分挖掘了自适应页策略对降低功耗的潜在优势。在Bank划分的基础上,自适应页策略根据各个Bank所接收的访存请求的特点,动态地为其分配最佳的页策略,从而达到进一步降低内存功耗、提升系统性能的目的。为了精准地评估实验方案对内存功耗和系统性能的影响,本文采用Gem5全系统模拟器作为基础架构模拟平台,另外在Gem5内部集成了内存时钟精确仿真器DRAMSim2,并用CPU SPEC2006测试程序验证。实验结果表明,本文设计实现的动态Bank划分机制与传统的Bank分配机制相比,混合组的内存功耗最高降低了21.2%,平均降低了11.2%;同时系统性能最高提高了12.5%,平均提高了3%。而对访存不密集的测试组,在保证性能的同时,功耗平均降低了5.3%。基于Bank划分的自适应页策略与传统的单一的开放页策略相比,内存系统的功耗最高降低29%,平均降低8%;同时系统性能最高提高55%,平均提高20.4%。因此,本文提出的动态Bank划分机制和基于Bank划分的自适应页策略无论是在降低系统功耗方面还是提升系统性能方面都有很大的提高。
【关键词】：片上多核处理器 共享内存 低功耗 Bank划分 自适应页策略
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP333
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-20
• 1.1 课题背景和研究意义10-15
• 1.1.1 选题背景10-11
• 1.1.2 研究意义11-13
• 1.1.3 研究内容13-15
• 1.2 国内外研究现状15-18
• 1.2.1 访存请求调度算法15-16
• 1.2.2 内存资源划分16-17
• 1.2.3 OS级的DRAM功耗管理17-18
• 1.2.4 页管理策略18
• 1.3 论文的结构安排18-20
• 第2章 多核处理器与DRAM内存系统20-30
• 2.1 引言20
• 2.2 多核处理器20-21
• 2.2.1 多核处理器架构20-21
• 2.2.2 关键技术21
• 2.3 DRAM内存系统21-28
• 2.3.1 系统结构21-24
• 2.3.2 功耗模型24
• 2.3.3 页管理策略24-27
• 2.3.4 访存行为特征27
• 2.3.5 内存划分27-28
• 2.4 本章小结28-30
• 第3章 面向低功耗的动态划分Bank方案30-44
• 3.1 引言30
• 3.2 动态划分Bank策略设计30-36
• 3.2.1 DBP策略说明30-31
• 3.2.2 DBP策略工作流程31-36
• 3.3 实验设计及结果分析36-43
• 3.3.1 实验环境介绍36-37
• 3.3.2 实验测试集37-39
• 3.3.3 评估方法39-40
• 3.3.4 实验配置40
• 3.3.5 测试程序40-41
• 3.3.6 实验结果分析41-43
• 3.4 本章小结43-44
• 第4章 基于Bank划分的自适应页策略44-58
• 4.1 引言44
• 4.2 基于Bank划分的自适应页策略设计44-51
• 4.2.1 Bank级并行性44-45
• 4.2.2 自适应页策略45-46
• 4.2.3 BPAPP工作流程46-51
• 4.3 实验设计及结果分析51-56
• 4.3.1 评估方法51-52
• 4.3.2 实验配置52-53
• 4.3.3 测试程序53
• 4.3.4 实验结果分析53-56
• 4.4 本章小结56-58
• 结论58-60
• 参考文献60-64
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文64-66
• 致谢66

  本文关键词：面向多核共享内存的低功耗研究，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：453803