Drowsyキャッシュにおける モード切替アルゴリズムの評価 図子純平（名古屋大学） 冨山宏之（名古屋大学） 高田広章（名古屋大学） 井上弘士（九州大学） 研究背景 キャッシュの消費電力は、プロセッサ全体の消費電力の大き な割合を占める 近年、多くの組込み機器向けプロセッサにもキャッシュが搭 載されている Clock 4% D Cache 組込みプロセッサARM920Tでは Other SysCtl 19% 4% 3% 全体の44％の電力を BIU 8% キャッシュが消費 CP15 2% PATag RAM 1% キャッシュの消費電力削減は効果的 44% I Cache 25% arm9 25% S. Segars, “Low Power Design Techniques for Microprocessors,” ISSCC Tutorial , Feb. 2001. I MMU D MMU 5% 4% 本研究の動機と目的 キャッシュの消費電力 動的な電力 静的な電力 キャッシュ動作時に、トランジスタのスイッチング動作によって 消費される電力 リーク電流に起因する電力 キャッシュの動作と無関係に消費される 回路の微細化によりリーク電流が増加 目的 リーク電流によるキャッシュの消費電力（消費エネル ギー）の削減 発表手順 研究背景 関連研究 Drowsyキャッシュ ウェイ予測Drowsyキャッシュの提案 実験 まとめ 関連研究 動的電力の削減手法 ウェイ予測キャッシュ[Inoue, ISLPED98] 将来アクセスされる可能性の高いキャッシュウェイを予測 静的電力の削減手法 DRIキャッシュ[Yang, HPCA01] キャッシュミス率に応じて動的にキャッシュサイズを変更 Cache Decay[Kaxiras, ISCA01] キャッシュの参照状況に応じて動的にキャッシュサイズを変更 Drowsy cache[Flautner, ISCA02] キャッシュラインのモードを切り替えてエネルギー削減 ２種類のモード切り替え手法 Drowsyキャッシュ 切替サイクル Drowsyキャッシュその1 以後、Drowsy1と表記 Drowsyキャッシュその2 アクセスした 通常モードへ切り替える い！ 通常モード 低リークモード 通常モード 低リークモード （有効なライン） （有効なライン） （無効なライ （無効なライ ン） ン） 一定サイクル間隔ごとに全ての ラインを低リークモードに切替え 以後、Drowsy2と表記 一定サイクル間隔ごとに、アクセ スされなかったラインを切替え 低リークモードでは、供給電圧を 低下 低リークモードのラインへのアク セス時には、通常モードに切り 替えてからデータにアクセスする。 切替には1～数サイクルのペナ ルティがかかる Drowsyキャッシュの特徴と問題点 Drowsyキャッシュの利点 ラインのモードを切り替えても、保存されているデータは 破壊されない キャッシュミス率は当手法の導入前後で変化しない Drowsyキャッシュの欠点 モード切替により性能が低下 Drowsy1では、モード切替が頻発 Drowsy2では、モード切替は少ないが、リーク削減率が低い 高いリーク削減率と性能低下抑制の両立が重要 本研究の提案手法 ウェイ予測Drowsyキャッシュ 次回アクセスされる可能性の高いウェイを予測する ウェイ予測にはMRU（Most Recently Used）アルゴリズ ムを採用 メモリ参照の時間的・空間的局所性を活用 モード切替回数の削減 3種類のウェイ予測Drowsyキャッシュを提案 ウェイ予測Drowsyキャッシュ (1/2) 切り替え方法その1 （以後、WPDrowsy1） 各セットのMRUウェイ以外を低リークモードに切替 切替サイクル 各キャッシュセットの MRUウェイ 通常モードのまま ウェイ予測Drowsyキャッシュ(2/2) 切り替え方法その2 （以後、WPDrowsy2） 一定周期内にアクセスされたMRUウェイのみを通常モードに 残し、それ以外を低リークモードに切り替える 切り替え方法その3 （以後、WPDrowsy3） 一定周期内にアクセスされたウェイとMRUウェイを通常 モードに残し、それ以外を低リークモードに切り替える 通常モードに 残す条件 実験の概要 実験手順 メモリアクセスのトレースを取得 各種Drowsyキャッシュをシミュレーション SimpleScalarシミュレータを使用 シミュレータを実装 評価指標 消費エネルギーの削減率 リーク電流による消費エネルギー モード切替による消費エネルギー モード切替による性能低下率 実験・評価1 キャッシュの構成 ： 32B ： 16KB、32KB ： 2、4、8 ： 4096サイクル 比較対象 ラインサイズ キャッシュサイズ ウェイ数 モード切替周期 通常キャッシュ 2種類のDrowsyキャッシュ 3種類のウェイ予測Drowsyキャッシュ ベンチマークプログラム SPEC2000 CINT2000 : bzip2、gcc、gzip、mcf CFP2000 : ammp、art、 equake、mesa 最初の5千万命令を飛ばして、続く1千万命令にて実験 Drowsy1 Drowsy2 WPDrowsy1 WPDrowsy2 WPDrowsy3 Drowsy1 Drowsy2 WPDrowsy1 WPDrowsy2 WPDrowsy3 Drowsy1 Drowsy2 WPDrowsy1 WPDrowsy2 WPDrowsy3 性能低下率 1.2% 1.0% 0.8% 0.6% 0.4% 0.2% 0.0% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 2way 性能低下率 4way 8way エネルギー削減率 エネルギー削減率 結果（平均） 32KB、切替ペナルティ=1 2way 性能低下率 4way エネルギー削減率 8way WPDrowsy3 WPDrowsy2 WPDrowsy1 Drowsy2 Drowsy1 WPDrowsy3 WPDrowsy2 WPDrowsy1 Drowsy2 Drowsy1 WPDrowsy3 WPDrowsy2 WPDrowsy1 Drowsy2 Drowsy1 性能低下率 3.5% 3.0% 2.5% 2.0% 1.5% 1.0% 0.5% 0.0% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% エネルギー削減率 結果（平均） 32KB、切替ペナルティ=3 Drowsy1 Drowsy2 WPDrowsy1 WPDrowsy2 WPDrowsy3 Drowsy1 Drowsy2 WPDrowsy1 WPDrowsy2 WPDrowsy3 Drowsy1 Drowsy2 WPDrowsy1 WPDrowsy2 WPDrowsy3 Drowsy1 Drowsy2 WPDrowsy1 WPDrowsy2 WPDrowsy3 Drowsy1 Drowsy2 WPDrowsy1 WPDrowsy2 WPDrowsy3 Drowsy1 Drowsy2 WPDrowsy1 WPDrowsy2 WPDrowsy3 Drowsy1 Drowsy2 WPDrowsy1 WPDrowsy2 WPDrowsy3 Drowsy1 Drowsy2 WPDrowsy1 WPDrowsy2 WPDrowsy3 Drowsy1 Drowsy2 WPDrowsy1 WPDrowsy2 WPDrowsy3 性能低下率 8.0% 90% 7.0% 80% 6.0% 5.0% 60% 4.0% 50% 40% 3.0% 30% 2.0% 20% 1.0% 10% 0.0% 0% ammp art bzip2 equake 性能低下率 gcc gzip mcf mesa エネルギー削減率 ベンチマーク毎の結果 32KB、連想度4、 切替ペナルティ=3 70% 平均 エネルギー削減率 浮動小数点演算のammp, equake, mesaで、性能低下率の抑制が顕著 実験・評価2 キャッシュの構成 ： 32B ： 16KB、32KB ： 2、4、8 ： 4096サイクル 比較対象 ラインサイズ キャッシュサイズ ウェイ数 モード切替周期 通常キャッシュ 2種類のDrowsyキャッシュ 3種類のウェイ予測Drowsyキャッシュ ベンチマークプログラム MediaBench adpcm, epic, g721, gsmのエンコードとデコード Drowsy1 Drowsy2 WPDrowsy1 WPDrowsy2 WPDrowsy3 Drowsy1 Drowsy2 WPDrowsy1 WPDrowsy2 WPDrowsy3 Drowsy1 Drowsy2 WPDrowsy1 WPDrowsy2 WPDrowsy3 性能低下率 1.4% 1.2% 1.0% 0.8% 0.6% 0.4% 0.2% 0.0% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 2way 性能低下率 4way 8way エネルギー削減率 エネルギー削減率 結果（平均） 32KB、切替ペナルティ=3 Drowsy1 Drowsy2 WPDrowsy1 WPDrowsy2 WPDrowsy3 Drowsy1 Drowsy2 WPDrowsy1 WPDrowsy2 WPDrowsy3 Drowsy1 Drowsy2 WPDrowsy1 WPDrowsy2 WPDrowsy3 Drowsy1 Drowsy2 WPDrowsy1 WPDrowsy2 WPDrowsy3 Drowsy1 Drowsy2 WPDrowsy1 WPDrowsy2 WPDrowsy3 Drowsy1 Drowsy2 WPDrowsy1 WPDrowsy2 WPDrowsy3 Drowsy1 Drowsy2 WPDrowsy1 WPDrowsy2 WPDrowsy3 Drowsy1 Drowsy2 WPDrowsy1 WPDrowsy2 WPDrowsy3 Drowsy1 Drowsy2 WPDrowsy1 WPDrowsy2 WPDrowsy3 性能低下率 2.0% 100% 1.8% 90% 1.6% 80% 1.4% 70% 1.2% 60% 1.0% 50% 0.8% 40% 0.6% 30% 0.4% 20% 0.2% 10% 0.0% 0% adpcm_dec adpcm_enc epic_dec epic_enc g721_dec 性能低下率 g721_enc gsm_dec エネルギー削減率 g721で、性能低下率の抑制が顕著 gsm_enc 平均 エネルギー削減率 ベンチマークごとの結果 32KB、連想度4、 切替ペナルティ=3 考察 基本的に、性能低下率とエネルギー削減率はトレー ドオフの関係 ウェイ予測の導入により、大幅に性能を改善 Drowsy2、WPDrowsy2、WPDrowsy3はラインごと に1ビットのレジスタが必要 消費エネルギー削減率は若干低下 当該周期におけるアクセスの有無を保持するため ウェイ予測Drowsyキャッシュ1が有望 まとめ 「ウェイ予測Drowsyキャッシュ」の提案と評価 Drowsyキャッシュにウェイ予測機構を導入 リーク電流による消費エネルギーの削減 性能低下の抑制 今後の課題 その他のモード切替アルゴリズムの評価 命令キャッシュへの適用 ご清聴ありがとうございました
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