Design of Efficient TLB-based Data Classification Mechanisms in Chip Multiprocessors

Abstract

Most of the data referenced by sequential and parallel applications running in current chip multiprocessors are referenced by a single thread, i.e., private. Recent proposals leverage this observation to improve many aspects of chip multiprocessors, such as reducing coherence overhead or the access latency to distributed caches. The effectiveness of those proposals depends to a large extent on the amount of detected private data. However, the mechanisms proposed so far either do not consider either thread migration or the private use of data within different application phases, or do entail high overhead. As a result, a considerable amount of private data is not detected. In order to increase the detection of private data, this thesis proposes a TLB-based mechanism that is able to account for both thread migration and private application phases with low overhead. Classification status in the proposed TLB-based classification mechanisms is determined by the presence of the page translation stored in other core's TLBs. The classification schemes are analyzed in multilevel TLB hierarchies, for systems with both private and distributed shared last-level TLBs.

This thesis introduces a page classification approach based on inspecting other core's TLBs upon every TLB miss. In particular, the proposed classification approach is based on exchange and count of tokens. Token counting on TLBs is a natural and efficient way for classifying memory pages. It does not require the use of complex and undesirable persistent requests or arbitration, since when two ormore TLBs race for accessing a page, tokens are appropriately distributed classifying the page as shared.

However, TLB-based ability to classify private pages is strongly dependent on TLB size, as it relies on the presence of a page translation in the system TLBs. To overcome that, different TLB usage predictors (UP) have been proposed, which allow a page classification unaffected by TLB size. Specifically, this thesis introduces a predictor that obtains system-wide page usage information by either employing a shared last-level TLB structure (SUP) or cooperative TLBs working together (CUP).

La mayor parte de los datos referenciados por aplicaciones paralelas y secuenciales que se ejecutan enCMPs actuales son referenciadas por un único hilo, es decir, son privados. Recientemente, algunas propuestas aprovechan esta observación para mejorar muchos aspectos de los CMPs, como por ejemplo reducir el sobrecoste de la coherencia o la latencia de los accesos a cachés distribuidas. La efectividad de estas propuestas depende en gran medida de la cantidad de datos que son considerados privados. Sin embargo, los mecanismos propuestos hasta la fecha no consideran la migración de hilos de ejecución ni las fases de una aplicación. Por tanto, una cantidad considerable de datos privados no se detecta apropiadamente. Con el fin de aumentar la detección de datos privados, proponemos un mecanismo basado en las TLBs, capaz de reclasificar los datos a privado, y que detecta la migración de los hilos de ejecución sin añadir complejidad al sistema. Los mecanismos de clasificación en las TLBs se han analizado en estructuras de varios niveles, incluyendo TLBs privadas y con un último nivel de TLB compartido y distribuido.

Esta tesis también presenta un mecanismo de clasificación de páginas basado en la inspección de las TLBs de otros núcleos tras cada fallo de TLB. De forma particular, el mecanismo propuesto se basa en el intercambio y el cuenteo de tokens (testigos). Contar tokens en las TLBs supone una forma natural y eficiente para la clasificación de páginas de memoria. Además, evita el uso de solicitudes persistentes o arbitraje alguno, ya que si dos o más TLBs compiten para acceder a una página, los tokens se distribuyen apropiadamente y la clasifican como compartida.

Sin embargo, la habilidad de los mecanismos basados en TLB para clasificar páginas privadas depende del tamaño de las TLBs. La clasificación basada en las TLBs se basa en la presencia de una traducción en las TLBs del sistema. Para evitarlo, se han propuesto diversos predictores de uso en las TLBs (UP), los cuales permiten una clasificación independiente del tamaño de las TLBs. En concreto, esta tesis presenta un sistema mediante el que se obtiene información de uso de página a nivel de sistema con la ayuda de un nivel de TLB compartida (SUP) o mediante TLBs cooperando juntas (CUP).

La major part de les dades referenciades per aplicacions paral·leles i seqüencials que s'executen en CMPs actuals són referenciades per un sol fil, és a dir, són privades. Recentment, algunes propostes aprofiten aquesta observació per a millorar molts aspectes dels CMPs, com és reduir el sobrecost de la coherència o la latència d'accés a memòries cau distribuïdes. L'efectivitat d'aquestes propostes depen en gran mesura de la quantitat de dades detectades com a privades. No obstant això, els mecanismes proposats fins a la data no consideren la migració de fils d'execució ni les fases d'una aplicació. Per tant, una quantitat considerable de dades privades no es detecta apropiadament. A fi d'augmentar la detecció de dades privades, aquesta tesi proposa un mecanisme basat en les TLBs, capaç de reclassificar les dades com a privades, i que detecta la migració dels fils d'execució sense afegir complexitat al sistema. Els mecanismes de classificació en les TLBs s'han analitzat en estructures de diversos nivells, incloent-hi sistemes amb TLBs d'últimnivell compartides i distribuïdes.

Aquesta tesi presenta un mecanisme de classificació de pàgines basat en inspeccionar les TLBs d'altres nuclis després de cada fallada de TLB. Concretament, el mecanisme proposat es basa en l'intercanvi i el compte de tokens. Comptar tokens en les TLBs suposa una forma natural i eficient per a la classificació de pàgines de memòria. A més, evita l'ús de sol·licituds persistents o arbitratge, ja que si dues o més TLBs competeixen per a accedir a una pàgina, els tokens es distribueixen apropiadament i la classifiquen com a compartida.

No obstant això, l'habilitat dels mecanismes basats en TLB per a classificar pàgines privades depenen de la grandària de les TLBs. La classificació basada en les TLBs resta en la presència d'una traducció en les TLBs del sistema. Per a evitar-ho, s'han proposat diversos predictors d'ús en les TLBs (UP), els quals permeten una classificació independent de la grandària de les TLBs. Específicament, aquesta tesi introdueix un predictor que obté informació d'ús de la pàgina a escala de sistema mitjançant un nivell de TLB compartida (SUP) or mitjançant TLBs cooperant juntes (CUP).