Η πρόοδος της τεχνολογίας CMOS δίνει τη δυνατότητα σχεδιασμού φθηνών, πολυπύρηνων, κοινής μνήμης, ενσωματωμένων επεξεργαστών. Ωστόσο, η υποστήριξη της συνάφειας της κρυφής μνήμης με κάποια μέθοδο που παρουσιάζει καλή κλιμάκωση απαιτεί σημαντική προσπάθεια. Τα πρωτόκολλα υποκλοπής παρέχουν μία λύση εύκολη στο σχεδιασμό, όμως είναι απαιτητικά σε εύρος ζώνης και κατανάλωση. Επιπλέον, η κλιμάκωσή τους είναι περιορισμένη όταν χρησιμοποιούνται σε αρτηρίες. Τα πρωτόκολλα που κάνουν χρήση ευρετηρίου, ειδικά τα κατανεμημένα, επιφέρουν μικρότερη επιβάρυνση στο δίκτυο. Απαιτούν όμως ελεγκτές ευρετηρίων οι οποίοι είναι δύσκολοι στο σχεδιασμό και καταναλώνουν πολύτιμη μνήμη, επιφάνεια και κατανάλωση εντός του ολοκληρωμένου, κάνοντάς τη λύση αυτή ακατάλληλη για ενσωματωμένα πολυπύρηνα συστήματα.
Στην εργασία αυτή, παρουσιάζουμε ένα μηχανισμό διατήρησης της συνάφειας ο οποίος παρουσιάζει καλή κλιμάκωση, και βασίζεται σε απλά πρωτόκολλα υποκλοπής, πάνω όμως σε ένα ιεραρχικό δίκτυο σημείο προς σημείο. Για να μειωθούν δραματικά τα μηνύματα που στέλνονται με ευρεία εκπομπή, προτείνουμε τα Χρονολογικά Φίλτρα, μια λύση βασισμένη στα φίλτρα Bloom. Σε αντίθεση με προηγούμενες προσεγγίσεις, τα Χρονολογικά Φίλτρα (Temporal Filters - TF) είναι εφοδιασμένα με ένα μοναδικό χαρακτηριστικό: την ικανότητα να σβήνουν τα περιεχόμενά τους σε συγχρονισμό - αλλά χωρίς να επικοινωνούν - με τις κρυφές μνήμες. Τα Χρονολογικά Φίλτρα και οι κρυφές μνήμες σβήνουν τα περιεχόμενά τους βασισμένα στις ενέργειες που γίνονται για τη διατήρηση της συνάφειας, παρέχοντας ασφαλές φιλτράρισμα ορισμένων μηνυμάτων του πρωτοκόλλου συνάφειας. Με τον τρόπο αυτό, ξεπερνάμε το πρόβλημα της αφαίρεσης στοιχείων των φίλτρων Bloom, χωρίς τη χρήση επιπλέον μετρητών, μηνυμάτων ή σημάτων, όπως έχουν προταθεί σε προηγούμενες εργασίες. Όλα τα παραπάνω γίνονται χωρίς καμία τροποποίηση των πρωτοκόλλων συνάφειας της κρυφής μνήμης. Ως αποτέλεσμα, η λύση που προτείνεται στην εργασία αυτή, χρησιμοποιεί μικρές δομές που μπορούν να ενσωματωθούν εύκολα στους μεταγωγείς του μέσου διασύνδεσης.
Για την αποτίμηση των μηχανισμών που προτείνουμε, χρησιμοποιήθηκε το περιβάλλον προσομοίωσης GEMS - για να μοντελοποιηθούν πολυπύρηνοι επεξεργαστές εντός ολοκληρωμένου με 8 και 16 πυρήνες, με ιδιωτικές κρυφές μνήμες πρώτου και δευτέρου επιπέδου - και η σουίτα μετροπρογραμμάτων SPLASH-2. Τα Χρονολογικά Φίλτρα αποδείχτηκαν ικανά να μειώσουν έως και κατά 74.7\% (κατά μέσο όρο) τα μηνύματα στο μέσο διασύνδεσης. Επιπλέον, τα Χρονολογικά Φίλτρα προσφέρουν τη δυνατότητα μείωσης της στατικής κατανάλωσης, καθώς χρησιμοποιείται η τεχνική Decay στις κρυφές μνήμες. / Advances in CMOS technology are enabling the design of inexpensive, multicore, shared-memory, embedded processors. However, supporting cache coherence in a scalable fashion in these architectures requires considerable effort. Snoop protocols provide an easy-to-design solution but they are greedy bandwidth and power consumers. In addition, their scalability is limited over a broadcast bus. Scalable directory protocols, especially distributed ones, remedy the bandwidth overhead but require hard-to-design directory controllers that consume precious on-chip storage, area, and power, rendering the solution unattractive for embedded multicores.
In this work we advocate a scalable coherence solution based on simple broadcast snooping protocols but over a scalable hierarchical point-to-point network. To dramatically cut down on broadcasts we propose Temporal Filtering, a solution based on Bloom filters - a storage-efficient memory structure. In contrast to previous approaches, Temporal Filters (TFs) are equipped with a unique characteristic: the ability to self-clean their contents in concert - but without communicating - with caches. Both TFs and caches decay their contents based on coherence activity, guaranteeing the correctness of coherence filtering. In this way, we overcome the problem of entry removal in the Bloom filters without the need of extra counters, messages, or even extra signals as in previous work and, more importantly, without requiring changes in the underlying cache snoop protocols. As a result, our solution utilizes frugal single-bit structures that can be easily integrated into network switches.
For our evaluation we use GEMS to model a 8- and 16-core CMP with private L1/L2 caches of various sizes, and the SPLASH-2 suite. TFs are proven able to reduce the 74.7\% (arithmetic average) of the network messages. In addition, TFs offer also leakage saving opportunities since cache decay is also applied in private caches.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:upatras.gr/oai:nemertes:10889/4938 |
| Date | 23 January 2012 |
| Creators | Οικονόμου, Ιωάννης |
| Contributors | Καξίρας, Στέφανος, Oikonomou, Ioannis, Γκούτης, Κωνσταντίνος, Νικολός, Δημήτριος, Καξίρας, Στέφανος |
| Source Sets | University of Patras |
| Language | gr |
| Detected Language | Greek |
| Type | Thesis |
| Rights | 0 |
| Relation | Η ΒΚΠ διαθέτει αντίτυπο της διατριβής σε έντυπη μορφή στο βιβλιοστάσιο διδακτορικών διατριβών που βρίσκεται στο ισόγειο του κτιρίου της. |
Page generated in 0.0031 seconds