適用于高性能計算節(jié)點的多核系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計.pdf

1、隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展和進步，片上多核處理器芯片的高度集成化和縮微化給片上多核處理器系統(tǒng)的發(fā)展帶來一個不可多得的機遇:系統(tǒng)的各個層次和構(gòu)件（接口協(xié)議、高速緩存、互連網(wǎng)絡(luò)等）可以進行跨層次的協(xié)同優(yōu)化設(shè)計。本論文面向未來高端系統(tǒng)的計算節(jié)點，從多核任務(wù)調(diào)度、存儲子系統(tǒng)、片上互連網(wǎng)絡(luò)三個方面探索片上多核處理器的優(yōu)化設(shè)計方法，提出未來高端系統(tǒng)多核處理器節(jié)點的解決方案。
　　首先，本文提出了一種基于主從式實時操作系統(tǒng)的多核異構(gòu)調(diào)度器，用來高效

2、地管理片上多核系統(tǒng)。操作系統(tǒng)作為應(yīng)用程序和硬件的中間層，其效率對整個片上多核系統(tǒng)的性能有很大的影響。為了讓應(yīng)用程序能夠充分利用片上多核系統(tǒng)的資源，需要考慮負載平衡、存儲一致性、任務(wù)同步等問題。本文通過分析并行編程模型和執(zhí)行模式，面向片上多核操作系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，提出了一種基于主從式實時操作系統(tǒng)的多核異構(gòu)任務(wù)調(diào)度器，其主要特性包括:1）簡潔、明晰的接口協(xié)議，配合數(shù)據(jù)流并行編程模型，方便程序員編寫并行程序;2）任務(wù)調(diào)度器與代理執(zhí)行器兩者相互分

3、工配合，高效率地管理運行在片上多核系統(tǒng)上的并行程序;3）利用任務(wù)分類策略，簡化了任務(wù)調(diào)度的流程;采用專用的控制子網(wǎng)用于同步消息的傳輸，加速了任務(wù)同步，減少了任務(wù)調(diào)度的開銷。仿真結(jié)果表明，在1個主控核配合8個加速器核的多核系統(tǒng)配置下，采用本文提出的多核異構(gòu)調(diào)度器，多核系統(tǒng)提升了16％的并行程序加速比，并具有良好的可擴展性。
　　其次，本文提出了一種線程感知的自調(diào)數(shù)據(jù)預(yù)取引擎來優(yōu)化片上多核處理器的存儲子系統(tǒng)。在多核處理器系統(tǒng)中運行的各

4、線程之間，通常會共享末級緩存和片外存儲器。數(shù)據(jù)預(yù)取請求會帶來額外的共享緩存和存儲帶寬的競爭及沖突，這些競爭和沖突會降低應(yīng)用程序的執(zhí)行效率，并且限制了系統(tǒng)的擴展性。本文通過分析多線程應(yīng)用中共享資源的競爭情況，提出了線程感知的自適應(yīng)數(shù)據(jù)預(yù)取引擎，其主要特性包括:1）采用運行時的線程分類指導(dǎo)機制，對數(shù)據(jù)預(yù)取引擎進行動態(tài)調(diào)整，以減少共享資源的競爭;2）采用一種預(yù)取過濾機制，避免預(yù)取導(dǎo)致的線程間數(shù)據(jù)無效化;3）采用關(guān)鍵線程加速機制，用于預(yù)測以及加

5、速位于程序最長執(zhí)行路徑上的關(guān)鍵線程。64路片上多核模擬器的仿真結(jié)果表明:相比于基準(zhǔn)多模式數(shù)據(jù)預(yù)取引擎，本文提出的線程感知的自調(diào)數(shù)據(jù)預(yù)取引擎可以減少7％的線程間共享數(shù)據(jù)無效化，同時減少6％的線程同步平均等待時間;與不采用預(yù)取機制的結(jié)果相比，本文提出的數(shù)據(jù)預(yù)取引擎可以節(jié)省18％的執(zhí)行時間。
　　最后，本文提出了一種面向光電互連系統(tǒng)的仿真方法來支持光電互連網(wǎng)絡(luò)的精確模擬以及多核系統(tǒng)的整體仿真。光互連技術(shù)具有時延低、傳輸帶寬大、功耗開銷少

6、等優(yōu)點。本文通過對光電器件的獨立精確建模，以及器件庫與功能模型、時序模型和成本模型協(xié)同工作，實現(xiàn)了光電互連網(wǎng)絡(luò)的精確模擬;通過對多線程編程的支持，擴展了仿真規(guī)模，實現(xiàn)了256核光電互連系統(tǒng)的周期級精確仿真。通過仿真實驗，分析了256節(jié)點時不同分簇大小對于網(wǎng)絡(luò)功耗、時延等性能參數(shù)的影響，提出了未來片上光電互連網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化方向。
　　本論文提出的多核處理器優(yōu)化設(shè)計方法，達到了降低多核任務(wù)調(diào)度開銷、減少線程間共享數(shù)據(jù)沖突的目的，提高了操作