本文選題：編譯技術(shù)　切入點：便簽存儲器　出處：《武漢大學》2013年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：處理器與片外存儲之間的性能差距日益增大,使得片外存儲的訪問性能成為影響計算性能的瓶頸,稱為“存儲墻”。為了應對這個挑戰(zhàn),現(xiàn)代商業(yè)計算設備中廣泛地應用了片上存儲的方案,以緩解處理器與存儲設備之間的性能差距。片上存儲器通常包括片上緩存和便簽存儲器(Scratch pad memory,SPM)。片上緩存在計算設備中得到非常廣泛的應用,包括高性能移動電話、平板電腦、筆記本、臺式機以及服務器等。SPM則是一種軟件管理的片上存儲,通常被應用于能耗和芯片面積受限的嵌入式系統(tǒng)。傳統(tǒng)的片上存儲通常使用SRAM技術(shù)。但是,隨著CMOS晶體管的集成度越來越高,SRAM片上存儲的泄露功耗日益成為一個非常嚴峻的問題。并且,SRAM存儲單元需要占用較大的芯片面積,也成為制約SRAM技術(shù)伸縮能力的一個瓶頸。 非易失性存儲(Non-volatile memory, NVM),因為具有極低的泄露功耗和較高的存儲密度,提供了解決存儲器中泄露功耗問題以及伸縮能力的新途徑。隨著NVM技術(shù)的進步,已經(jīng)有一些新的NVM技術(shù),包括Spin-transfer torque random-access memory(STT-RAM)和Phase change memory (PCM),在訪問速度上能夠跟SRAM相媲美。綜合考慮這些優(yōu)勢,近年來研究者們提出使用NVM技術(shù)來構(gòu)建片上存儲。然而,NVM技術(shù)通常具有一個很明顯的缺陷,就是相比SRAM而言,寫操作通常代價很大,即寫速度要慢很多,寫能耗要高很多。因此,要想將NVM技術(shù)應用于片上緩存,就必須想辦法來利用NVM的優(yōu)點同時解決寫操作代價很高的問題。 本論文的研究表明,可以利用編譯技術(shù)來充分利用NVM技術(shù)在低泄露功耗和高存儲密度上的優(yōu)點,同時緩解寫操作代價高帶來的問題。具體來說,本論文包括以下三個方面的內(nèi)容：1)提出一種編譯輔助的方法,來改善基于NVM的混合SPM的能耗效率；2)提出一種編譯輔助的方法,來改善基于NVM的混合緩存的能耗效率；3)提出一種編譯輔助的方法,來改善基于易失性NVM的緩存的能耗效率。 針對第一個方面的內(nèi)容,本文提出一種基于圖著色模型的數(shù)據(jù)分配方法,來改善基于NVM和SRAM的混合SPM的性能。任何一個寫操作或者讀操作,都具有運行時間的代價和能耗的代價。跟NVM相比,SRAM在具有較高的寫性能的同時具有較差的讀性能。因此,一個良好的數(shù)據(jù)分配方法應該根據(jù)數(shù)據(jù)對象的讀寫頻率來為數(shù)據(jù)對象選擇合適的存儲類型。此外,生命期不相交的數(shù)據(jù)對象能夠共享存儲地址而不會影響程序的正確性。利用這個特點,可以尋找更多的機會將數(shù)據(jù)對象分配到最適合的存儲類型�；谶@些考慮,本論文提出了一種稱為迭代圖著色(Iterative graph-coloring, IGC)的方法將數(shù)據(jù)對象分配到最合適的存儲類型來改善混合SPM的性能。 針對第二個方面的內(nèi)容,提出了一種減少基于NVM和SRAM的混合緩存中的遷移操作的方法,來改善混合緩存的性能。如上所述,跟NVM相比,SRAM在具有較高的寫性能的同時具有較差的讀性能�；旌暇彺嬷型ǔＲ眠w移機制來動態(tài)地將寫密集的數(shù)據(jù)塊從NVM部分遷移到SRAM部分,從而消除發(fā)生在NVM上的代價高昂的寫操作。但是,硬件實現(xiàn)的遷移操作是基于簡單的預測機制,通過遷移可能的寫密集的數(shù)據(jù)塊來實現(xiàn)的�；谶@種預測機制的遷移機制可能會導致頻繁的遷移操作,造成緩存內(nèi)部的“抖動”,從而損害系統(tǒng)性能。本論文提出一種編譯輔助的方法,識別可能引起過度遷移的數(shù)據(jù)塊,將這些數(shù)據(jù)塊從內(nèi)存中預取到混合緩存的SRAM部分并加以鎖定,從而禁止對這些緩存行進行遷移操作。這樣,就可以充分利用SRAM的良好的寫性能,同時消除這些數(shù)據(jù)塊引起的頻繁的遷移操作帶來的代價。 針對第三個方面的內(nèi)容,提出一種減少基于易失性NVM的緩存上的刷新操作的方法,來改善緩存的性能。為了保證易失性的緩存中數(shù)據(jù)的完整性,刷新機制是不可或缺的。然而,頻繁的刷新操作會帶來非常顯著的代價。分析表明通過數(shù)據(jù)分配可以影響緩存的刷新操作。這是因為,當程序?qū)懭胍粋�數(shù)據(jù)時,事實上該數(shù)據(jù)所在的整個緩存塊已經(jīng)全部被隱式地刷新了。基于這個發(fā)現(xiàn),本論文提出借助數(shù)據(jù)分配來改變程序的寫操作在各個緩存塊上的分布,利用寫操作引起的隱式刷新來減少額外所需的刷新操作,進而改善緩存的性能。
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【學位授予單位】：武漢大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：TP314;TP333

【共引文獻】

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本文編號：1651592