命令フェッチ機構の共有に基づく

命令フェッチ機構の共有に基づく
低消費エネルギー化手法の提案
九州大学大学院システム情報科学府*
九州大学大学院システム情報科学研究院**
上野伸也* 井上弘士** 村上和彰**
1
発表手順
• 研究背景
– マルチコア･プロセッサにおける課題
– 命令フェッチ機構における低消費エネルギー化の重要性
•
•
•
•
研究の目的
命令フェッチ機構の共有化手法
ベンチマークプログラムを用いた定量的評価
まとめと今後の課題
2
マルチコア･プロセッサにおける課題
• 1チップ上に複数のコアを搭載したマルチコア・プロ
セッサが主流
• マルチコア・プロセッサの消費エネルギー削減が重要
– バッテリー駆動機器
→バッテリー駆動時間
– サーバ、スーパーコンピュータ
→運用コスト
Processor
Core
Processor
Core
Shared
L2 cache
出典： POWER5 system microarchitecture
3
命令フェッチ機構における
低消費エネルギー化の重要性
プロセッサ･コア
• マルチコア･プロセッサに
おいても大きな割合を占
める
33%
35%
38%
命令フェッチ機構で
約40%の消費エネルギー
1%
9%
7%
9%
3%
DCACHE
ALU
命令フェッチ機構
• シングルコア･プロセッサ
において、命令フェッチ機
構における消費エネル
ギーは大きい
DCACHE
LSQ
REG
WINDOW
RENAME
FETCH
ICACHE
BPRED
FE
2
ICACHE
BPRED
ALU
RENAME
WINDOW
LSQ
REGFILE
DCACHE
DCACHE2
RESULTBUS
CLOCK
0%1% 2% 0%
プロセッサの消費エネルギー内訳
4
マルチコア･プロセッサの
並列処理における問題点
………
k=0;
if() z=x+y;
For(i=0~49){
C[k+i]=A[k+i]+B[k+i];
D[k+i]=C[k+i]*(k+i);
}
………
コア0
………
k=50;
if() z=x+y;
For(i=0~49){
C[k+i]=A[k+i]+B[k+i];
D[k+i]=C[k+i]*(k+i);
}
………
コア1
コア1が受け取った命令
コア0が受け取った命令
k=50;
k=0;
z=x+y;
C[k+0]=A[k+0]+B[k+0];
C[k+0]=A[k+0]+B[k+0];
D[k+0]=C[k+0]*(k+0);
D[k+0]=C[k+0]*(k+0);
各プロセッサ・コアにおいてそれぞれ
C[k+1]=A[k+1]+B[k+1];
C[k+1]=A[k+1]+B[k+1];
D[k+1]=C[k+1]*(k+1);
命令フェッチ機構から命令を受け取るのは冗長
D[k+1]=C[k+1]*(k+1);
・・・・・・・・・
・・・・・・・・・
一致
5
研究のねらい
• 着眼点
– マルチコア・プロセッサの並列処理中に、命令フェッ
チ機構から出力されるデータ内容が一致する場合
があることに注目
• 研究の目的
– 並列処理における命令フェッチ機構へのアクセス回
数削減により低消費エネルギー化
⇒命令フェッチ機構において最大20%の消費エネル
ギー削減効果
6
提案手法の基本概念と動作例
マルチコア・プロセッサ
演算コア
コア1
メインコア
コア0
FETCH
FETCH
ブロードキャスト
MIMDモード
SIMDモード
停止している命令フェッチ機構の
消費エネルギー削減
MIMDモード：従来の並列処理方式。
全てのコアで命令をフェッチ、実行
EXE
EXE
SIMDモード：メインコアで命令を
フェッチし、各コアへブロードキャスト
MIMD：
Multiple Instruction stream，
Multiple Data stream
SIMD：
Single Instruction stream，
Multiple Data stream
7
提案手法の基本概念と動作例
マルチコア・プロセッサ
プログラムカウンタ更新
演算コア
コア1
メインコア
コア0
FETCH
FETCH
ブロードキャスト
待機
EXE
EXE
SIMDモード
MIMDモード
停止している命令フェッチ機構の
消費エネルギー削減
MIMDモード：従来の並列処理方式。
全てのコアで命令をフェッチ、実行
SIMDモード：メインコアで命令を
フェッチし、各コアへブロードキャスト
コア0が実行するプログラム
コア1が実行するプログラム
………
待機
k=0;
if() z=x+y;
For(i=0~49){
C[k+i]=A[k+i]+B[k+i];
D[k+i]=C[k+i]*(k+i);
}
………
………
k=50;
if() z=x+y;
For(i=0~49){
C[k+i]=A[k+i]+B[k+i];
D[k+i]=C[k+i]*(k+i);
}
………
MIMD：
Multiple Instruction stream，
Multiple Data stream
SIMD：
Single Instruction stream，
Multiple Data stream
8
命令フェッチ機構の
消費エネルギー削減モデル
SIMDモード時の命令フェッチ機構の
消費エネルギー
RFETCH
SIMDモードで実行した命令数
 ESIMD 
I SIMD
 
 1 
 EMIMD  I MIMD  I SIMD
MIMDモード時の命令フェッチ機構の
小さいほど削減率が高い
消費エネルギー
プロセッサの構成により決定
総実行命令数
大きいほど削減率が高い
プログラムの性質によって決定
9
提案方式の評価
• 評価内容
消費エネルギー比較
– 従来方式：全てMIMDモードで実行
– 提案方式： MIMDモード，SIMDモードを切り替えながら実行
• オンチップ上の消費エネルギーを比較
• コア間の通信にかかる消費エネルギーは0と仮定
• 評価環境
– シミュレータ：消費電力シミュレータ SIM-WATTCH，CMPシミュレータ M5
– ベンチマークプログラム：Splash2から4個のプログラムを選択
コア0
コア1
I$ D$
I$ D$
L2
L2
主記憶
コア7
・・・・・・
I$ D$
L2
オンチップ
オフチップ
10
命令フェッチ機構における
消費エネルギー削減効果
命令フェッチ機構における
消費エネルギー削減率
25%
20%
15%
10%
5%
0.001127129
0%
OCEAN
RADIX
WATER-SPATIAL
FFT
ベンチマークプログラム
OCEAN、WATER-SPATIALにおいて約20%の削減効果
11
消費エネルギー削減率
プロセッサ全体の
消費エネルギー削減効果
9%
8%
7%
6%
5%
4%
3%
2%
1%
0%
OCEAN
RADIX
WATER-SPATIAL
最大で約8%の消費エネルギー削減
12
まとめと今後の課題
• まとめ
– 並列処理における命令フェッチ機構の共有による消費エ
ネルギー削減手法を提案
– ベンチマークプログラムを用いた評価では、命令フェッチ
機構において最大20%，プロセッサ全体では最大約8%の
消費エネルギー削減効果
• 今後の課題
– コア間の通信における消費エネルギーを考慮した評価
– 提案手法における同期回数の増加による性能オーバー
ヘッドの評価
– ベンチマークプログラムの追加
13
ご清聴ありがとうございました
14
Back Slide
15
性能オーバーヘッド
• 同期回数の増加に伴う実行時間の増加
従来手法
1
2
提案手法
3
スレッド番号
1
2
3
MIMD
同期
時間
SIMD
：実行中
：待機状態
同期
MIMD
増加
同期
16
アーキテクチャサポート
CLK
SIMD
CLK
SIMD
P
C
M
Fetch １ U
1 X
演算
部
P
C
M
Fetch １ U
1 X
0
0→1
演算
部
0
REG
P
C
SIMD
Fetch
演算
部
P
C
メインコア
CLK
0M
Fetch １ U
1 X
演算
部
CLK
SIMD
17
マルチコア・プロセッサ
における並列処理
プロセッサ・コア1が
実行するプログラムコード
………
For(i=0~99){
C[i]=A[i]+B[i];
D[i]=C[i]*i;
}
………
並列化前のプログラムコード
………
For(i=0~49){
C[i]=A[i]+B[i];
D[i]=C[i]*i;
}
………
プロセッサ・コア2が
実行するプログラムコード
………
For(i=50~99){
C[i]=A[i]+B[i];
D[i]=C[i]*i;
}
………
並列化後のプログラムコード
18
制御フローの一致
プロセッサ･コア1が実行するプログラム
………
For(i=0~49){
C[i]=A[i]+B[i];
D[i]=C[i]*i;
}
………
プロセッサ･コア2が実行するプログラム
………
For(i=50~99){
C[i]=A[i]+B[i];
D[i]=C[i]*i;
}
………
………
I0:$10=0
I1:$11=50
I2:load $1
I3:load $2
I4:$3=$1+$2
I5:$4= $3 * $10
I6:$10=$10+1
I7:if $10<$11JUMP I2
………
………
I0:$10=50
I1:$11=100
I2:load $1
I3:load $2
I4:$3=$1+$2
I5:$4= $3 * $10
I6:$10=$10+1
I7:if $10<$11JUMP I2
………
19
冗長な命令キャッシュへのアクセス
プロセッサ・コア1
I2
プロセッサ・コア1
I3
0x00112233
I2
プロセッサ・コア2
I3
0x00112233
0x01020304
ICACHE
ｔ
PC
ICACHE
PC
時刻
ICACHE
PC
ICACHE
PC
プロセッサ・コア2
0x01020304
ｔ+1
20
消費エネルギーモデル
• 従来手法における消費エネルギー:E ORG
–
EORG = E MIMD  ITOTAL + Ecom
• 提案手法における消費エネルギー:E PRO
–
EPRO = EMIMD  IMIMD + (ESIMD + ΔEcom )  ISIMD + Ecom
コア間の通信にかかる消費エネルギーは0と仮定して評価
• 消費エネルギー削減効果:R
–
E PRO
ESIMD
ISIMD
R = 1= (1)
E ORG
E MIMD ITOTAL
EMIMD:MIMDモードで1命令実行するのにかかる消費エネルギー
ESIMD:MIMDモードで1命令実行するのにかかる消費エネルギー
ITOTAL:総実行命令数 IMIMD：MIMDモードで実行した命令数
ISIMD：MIMDモードで実行した命令数 Ecom:コア間の通信にかかる全消費エネルギー
ΔEcom:SIMDモード時、1命令のブロードキャストにかかる消費エネルギー
21
消費エネルギー削減効果
• 命令キャッシュにおける消費エネルギー削減率
消費エネルギーは実行命令数に比例すると仮定
I SIMD N  1
–
RIcache 
ITOTAL

N
• プロセッサ全体における消費エネルギー削減率
コア間の通信にかかる消費エネルギーは0と仮定して評価
ESIMD
ISIMD
–
R reduce = (1-
ITOTAL:総実行命令数
E MIMD
)
I TOTAL
ISIMD：MIMDモードで実行した命令数
N：コア数
EMIMD:MIMDモードで1命令実行するのにかかる消費エネルギー
ESIMD:MIMDモードで1命令実行するのにかかる消費エネルギー
22
シミュレーション環境
23
M5の設定
プロセッサの構成
8コア・アウトオブオーダ
命令発行幅
8
L1命令キャッシュ
サイズ 32KB /ブロックサイズ 64B/連想度
4/レイテンシ 1サイクル
L1データキャッシュ
サイズ 32KB /ブロックサイズ 64B/連想度
4/レイテンシ 1サイクル
L2キャッシュ
サイズ 1MB/ブロックサイズ 64B/連想度 4/
レイテンシ 6サイクル
24
ベンチマークプログラムの入力
プログラム
入力
OCEAN
258 × 258 ocean
RADIX
256K integers
WATER-SPATIAL
512 molecules
FFT
1024 data points
25
実験結果(グラフ)
26
様々な構成における
消費エネルギー削減率
9%
プロセッサ全体の
消費エネルギー削減率
8%
7%
6%
5%
OCEAN
RADIX
4%
WATER-SPATIAL
3%
2%
1%
0%
IO1
IO2
IO4
OoO1
OoO2
OoO4 C2_OoO1 C2_OoO2 C2_OoO4
27
SIMDモードによる
消費エネルギー削減効果
α=ESIMD/EMIMD
0.9
0.85
0.8
0.75
0.7
0.65
0.6
0.55
0.5
IO1
IO2
IO4
OoO1
プロセッサ構成
OoO2
OoO4
C2_OoO1 C2_OoO2 C2_OoO4
28
実験結果(2/2)
• プロセッサ全体の消費エネルギー削減効果
7%
消
費
エ
ネ
ル
ギ
ー
削
減
率
6%
5%
4%
OCEANcontig
radix
3%
WATER-SPATIAL
2%
1%
0%
IO1
IO2
IO4
OoO1
OoO2
OoO4
最大で6%の消費エネルギー削減
cache2
29
様々な構成のプロセッサにおける
消費エネルギー内訳
100%
90%
80%
CLOCK
70%
RESULTBUS
DCACHE2
60%
DCACHE
REGFILE
50%
LSQ
WINDOW
40%
RENAME
ALU
30%
BPRED
ICACHE
20%
10%
0%
OoO1
OoO2
OoO4
IO1
IO2
IO4
C2_OoO1 C2_OoO2 C2_OoO4
30
実験結果(2/3)
•各ベンチマークプログラムにおける全実行時間に対
する並列処理の実行時間割合
並列処理を行う時間の割合
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
OCAEN_CONTIG
RADIX
WATER-SPATIAL
ベンチマークプログラム
FFT
FFTでは並列処理を行う時間の割合が小さい
31
解決策
• 命令の内容が同じ⇒ブロードキャスト
………
k=0;
For(i=0~49){
C[k+i]=A[k+i]+B[k+i];
D[k+i]=C[k+i]*(k+i);
}
ブロードキャスト
………
コア1が受け取った命令
C[k+0]=A[k+0]+B[k+0];
D[k+0]=C[k+0]*(k+0);
i=i+1;
ループ継続判定
C[k+1]=A[k+1]+B[k+1];
D[k+1]=C[k+1]*(k+1);
・・・・・・・・・
………
k=50;
For(i=0~49){
C[k+i]=A[k+i]+B[k+i];
D[k+i]=C[k+i]*(k+i);
}
………
コア2が受け取った命令
コア1
C[k+0]=A[k+0]+B[k+0];
D[k+0]=C[k+0]*(k+0);
i=i+1;
ループ継続判定
C[k+1]=A[k+1]+B[k+1];
D[k+1]=C[k+1]*(k+1);
・・・・・・・・・
コア2
32
マルチコア･プロセッサの
並列処理における問題点
………
k=0;
if
For(i=0~49){
C[k+i]=A[k+i]+B[k+i];
D[k+i]=C[k+i]*(k+i);
}
………
………
k=50;
if
For(i=0~49){
C[k+i]=A[k+i]+B[k+i];
D[k+i]=C[k+i]*(k+i);
}
………
コア1が受け取った命令
コア2が受け取った命令
フェッチ機構から受け取った内容は一致
C[k+0]=A[k+0]+B[k+0];
D[k+0]=C[k+0]*(k+0);
i=i+1;
ループ継続判定
C[k+1]=A[k+1]+B[k+1];
D[k+1]=C[k+1]*(k+1);
・・・・・・・・・
コア1
C[k+0]=A[k+0]+B[k+0];
D[k+0]=C[k+0]*(k+0);
i=i+1;
ループ継続判定
C[k+1]=A[k+1]+B[k+1];
D[k+1]=C[k+1]*(k+1);
・・・・・・・・・
コア2
各プロセッサ・コアがそれぞれ命令フェッチ機構
から命令を受け取るのは冗長
33

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