Novel Cache Hierarchies with Photonic Interconnects for Chip Multiprocessors

Abstract

[ES] Los procesadores multinúcleo actuales cuentan con recursos compartidos entre los diferentes núcleos. Dos de estos recursos compartidos, la cache de último nivel y el ancho de banda de memoria principal, pueden convertirse en cuellos de botella para el rendimiento. Además, con el crecimiento del número de núcleos que implementan los diseños más recientes, la red dentro del chip también se convierte en un cuello de botella que puede afectar negativamente al rendimiento, ya que las redes tradicionales pueden encontrar limitaciones a su escalabilidad en el futuro cercano. Prácticamente la totalidad de los diseños actuales implementan jerarquías de memoria que se comunican mediante rápidas redes de interconexión. Esta organización es eficaz dado que permite reducir el número de accesos que se realizan a memoria principal y la latencia media de acceso a memoria. Las caches, la red de interconexión y la memoria principal, conjuntamente con otras técnicas conocidas como la prebúsqueda, permiten reducir las enormes latencias de acceso a memoria principal, limitando así el impacto negativo ocasionado por la diferencia de rendimiento existente entre los núcleos de cómputo y la memoria. Sin embargo, compartir los recursos mencionados es fuente de diferentes problemas y retos, siendo uno de los principales el manejo de la interferencia entre aplicaciones. Hacer un uso eficiente de la jerarquía de memoria y las caches, así como contar con una red de interconexión apropiada, es necesario para sostener el crecimiento del rendimiento en los diseños tanto actuales como futuros. Esta tesis analiza y estudia los principales problemas e inconvenientes observados en estos dos recursos: la cache de último nivel y la red dentro del chip. En primer lugar, se estudia la escalabilidad de las tradicionales redes dentro del chip con topología de malla, así como esta puede verse comprometida en próximos diseños que cuenten con mayor número de núcleos. Los resultados de este estudio muestran que, a mayor número de núcleos, el impacto negativo de la distancia entre núcleos en la latencia puede afectar seriamente al rendimiento del procesador. Como solución a este problema, en esta tesis proponemos una de red de interconexión óptica modelada en un entorno de simulación detallado, que supone una solución viable a los problemas de escalabilidad observados en los diseños tradicionales. A continuación, esta tesis dedica un esfuerzo importante a identificar y proponer soluciones a los principales problemas de diseño de las jerarquías de memoria actuales como son, por ejemplo, el sobredimensionado del espacio de cache privado, la existencia de réplicas de datos y rigidez e incapacidad de adaptación de las estructuras de cache. Aunque bien conocidos, estos problemas y sus efectos adversos en el rendimiento pueden ser evitados en procesadores de alto rendimiento gracias a la enorme capacidad de la cache de último nivel que este tipo de procesadores típicamente implementan. Sin embargo, en procesadores de bajo consumo, no existe la posibilidad de contar con tales capacidades y hacer un uso eficiente del espacio disponible es crítico para mantener el rendimiento. Como solución a estos problemas en procesadores de bajo consumo, proponemos una novedosa organización de jerarquía de dos niveles cache que utiliza una red de interconexión óptica. Los resultados obtenidos muestran que, comparado con diseños convencionales, el consumo de energía estática en la arquitectura propuesta es un 60% menor, pese a que los resultados de rendimiento presentan valores similares. Por último, hemos extendido la arquitectura propuesta para dar soporte tanto a aplicaciones paralelas como secuenciales. Los resultados obtenidos con la esta nueva arquitectura muestran un ahorro de hasta el 78 % de energía estática en la ejecución de aplicaciones paralelas.

[CA] Els processadors multinucli actuals compten amb recursos compartits entre els diferents nuclis. Dos d'aquests recursos compartits, la memòria d’últim nivell i l'ample de banda de memòria principal, poden convertir-se en colls d'ampolla per al rendiment. A mes, amb el creixement del nombre de nuclis que implementen els dissenys mes recents, la xarxa dins del xip també es converteix en un coll d'ampolla que pot afectar negativament el rendiment, ja que les xarxes tradicionals poden trobar limitacions a la seva escalabilitat en el futur proper. Pràcticament la totalitat dels dissenys actuals implementen jerarquies de memòria que es comuniquen mitjançant rapides xarxes d’interconnexió. Aquesta organització es eficaç ates que permet reduir el nombre d'accessos que es realitzen a memòria principal i la latència mitjana d’accés a memòria. Les caches, la xarxa d’interconnexió i la memòria principal, conjuntament amb altres tècniques conegudes com la prebúsqueda, permeten reduir les enormes latències d’accés a memòria principal, limitant així l'impacte negatiu ocasionat per la diferencia de rendiment existent entre els nuclis de còmput i la memòria. No obstant això, compartir els recursos esmentats és font de diversos problemes i reptes, sent un dels principals la gestió de la interferència entre aplicacions. Fer un us eficient de la jerarquia de memòria i les caches, així com comptar amb una xarxa d’interconnexió apropiada, es necessari per sostenir el creixement del rendiment en els dissenys tant actuals com futurs. Aquesta tesi analitza i estudia els principals problemes i inconvenients observats en aquests dos recursos: la memòria cache d’últim nivell i la xarxa dins del xip. En primer lloc, s'estudia l'escalabilitat de les xarxes tradicionals dins del xip amb topologia de malla, així com aquesta es pot veure compromesa en propers dissenys que compten amb major nombre de nuclis. Els resultats d'aquest estudi mostren que, a major nombre de nuclis, l'impacte negatiu de la distància entre nuclis en la latència pot afectar seriosament al rendiment del processador. Com a solució' a aquest problema, en aquesta tesi proposem una xarxa d’interconnexió' òptica modelada en un entorn de simulació detallat, que suposa una solució viable als problemes d'escalabilitat observats en els dissenys tradicionals. A continuació, aquesta tesi dedica un esforç important a identificar i proposar solucions als principals problemes de disseny de les jerarquies de memòria actuals com son, per exemple, el sobredimensionat de l'espai de memòria cache privat, l’existència de repliques de dades i la rigidesa i incapacitat d’adaptació' de les estructures de memòria cache. Encara que ben coneguts, aquests problemes i els seus efectes adversos en el rendiment poden ser evitats en processadors d'alt rendiment gracies a l'enorme capacitat de la memòria cache d’últim nivell que aquest tipus de processadors típicament implementen. No obstant això, en processadors de baix consum, no hi ha la possibilitat de comptar amb aquestes capacitats, i fer un us eficient de l'espai disponible es torna crític per mantenir el rendiment. Com a solució a aquests problemes en processadors de baix consum, proposem una nova organització de jerarquia de dos nivells de memòria cache que utilitza una xarxa d’interconnexió òptica. Els resultats obtinguts mostren que, comparat amb dissenys convencionals, el consum d'energia estàtica en l'arquitectura proposada és un 60% menor, malgrat que els resultats de rendiment presenten valors similars. Per últim, hem estes l'arquitectura proposada per donar suport tant a aplicacions paral·leles com seqüencials. Els resultats obtinguts amb aquesta nova arquitectura mostren un estalvi de fins al 78 % d'energia estàtica en l’execució d'aplicacions paral·leles.

[EN] Current multicores face the challenge of sharing resources among the different processor cores. Two main shared resources act as major performance bottlenecks in current designs: the off-chip main memory bandwidth and the last level cache. Additionally, as the core count grows, the network on-chip is also becoming a potential performance bottleneck, since traditional designs may find scalability issues in the near future.

Memory hierarchies communicated through fast interconnects are implemented in almost every current design as they reduce the number of off-chip accesses and the overall latency, respectively. Main memory, caches, and interconnection resources, together with other widely-used techniques like prefetching, help alleviate the huge memory access latencies and limit the impact of the core-memory speed gap. However, sharing these resources brings several concerns, being one of the most challenging the management of the inter-application interference. Since almost every running application needs to access to main memory, all of them are exposed to interference from other co-runners in their way to the memory controller. For this reason, making an efficient use of the available cache space, together with achieving fast and scalable interconnects, is critical to sustain the performance in current and future designs. This dissertation analyzes and addresses the most important shortcomings of two major shared resources: the Last Level Cache (LLC) and the Network on Chip (NoC). First, we study the scalability of both electrical and optical NoCs for future multicoresand many-cores. To perform this study, we model optical interconnects in a cycle-accurate multicore simulation framework. A proper model is required; otherwise, important performance deviations may be observed otherwise in the evaluation results. The study reveals that, as the core count grows, the effect of distance on the end-to-end latency can negatively impact on the processor performance. In contrast, the study also shows that silicon nanophotonics are a viable solution to solve the mentioned latency problems.

This dissertation is also motivated by important design concerns related to current memory hierarchies, like the oversizing of private cache space, data replication overheads, and lack of flexibility regarding sharing of cache structures. These issues, which can be overcome in high performance processors by virtue of huge LLCs, can compromise performance in low power processors. To address these issues we propose a more efficient cache hierarchy organization that leverages optical interconnects. The proposed architecture is conceived as an optically interconnected two-level cache hierarchy composed of multiple cache modules that can be dynamically turned on and off independently. Experimental results show that, compared to conventional designs, static energy consumption is improved by up to 60% while achieving similar performance results.

Finally, we extend the proposal to support both sequential and parallel applications. This extension is required since the proposal adapts to the dynamic cache space needs of the running applications, and multithreaded applications's behaviors widely differ from those of single threaded programs. In addition, coherence management is also addressed, which is challenging since each cache module can be assigned to any core at a given time in the proposed approach. For parallel applications, the evaluation shows that the proposal achieves up to 78% static energy savings.

In summary, this thesis tackles major challenges originated by the sharing of on-chip caches and communication resources in current multicores, and proposes new cache hierarchy organizations leveraging optical interconnects to address them. The proposed organizations reduce both static and dynamic energy consumption compared to conventional approaches while achieving similar performance; which results in better energy efficiency.