基于可调整段数流水线处理器的一种细粒度动态功耗性能比优.pdfVIP

Yao J, Miwa S, Shimada H et al. A fine-grained runtime power/performance optimization method for processors with adaptive pipeline depth. JOURNAL OF COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY 26(2): 292-301 Mar. 2011. DOI 10.1007/s11390-011-1132-9 基于可调整段数流水线处理器的一种细粒度动态功耗性能比优化方案 动态调整输入电压 （Dynamic Voltage Scaling, DVS ）方法通过降低处理器 在低工作负荷状态下的电压来减少耗电量，并在负载上升时恢复电压。这种调整 引入数十到数百微秒的处理停顿，不利于超细粒度（微妙级别）的节能控制。基 于段数可调整流水线(Adaptive Depth Pipeline, ADP)的处理器节能方法通过设 置专用的逻辑信号来停止部分处理器流水线的段间寄存器的使用来达到节能目 的。这种方法与流水线的单次清空延迟相当，只有数十纳秒，能用来进行超细粒 度的节能控制。 基于段数可调整方案，本论文主要提出了一种超细粒度的功耗性能比优化方 案。论文建立处理器的动态功耗比模型，构筑了一个从处理器当前的性能参数（单 位时间执行的指令数）到功耗性能比最优的流水线段数的映射。通过超细粒度的 动态观测方法预测处理中的程序未来可能的工作负荷。而后，微处理器根据负载 来调整自身的流水线到最优段数，优化功耗性能比。由于综合了多个性能参数， 避免了非常短促的剧烈变化引起的过度频繁的再配置。该方法能够检测到程序执 行过程中的微小变化，将处理器调整到满足负荷的最低处理能力，从而提高性能 功耗比。 本文采用模拟工具 SimpleScalar 和 Wattch 功耗工具包，主要参数如下： 处 理 8 路流水线，乱序执行； 器 RUU 单元：128，LSQ 单元：64； 整数 ALU 单元：8，乘除单元：4； 浮点数 ALU 单元：8，乘除单元：4； 存储模块端口：8。 本文评价使用 SPEC CPU2000 的整数、浮点数共 17 个评价程序。整数应用 采用优化方法后，功耗性能比降低为原来的 86.5%。浮点数应用能降低 5.1%的处 理器的功耗性能比。这两个数据都非常接近于基于先验知识的理想化控制所能获 Yao J, Miwa S, Shimada H et al. A fine-grained runtime power/performance optimization method for processors with adaptive pipeline depth. JOURNAL OF COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY 26(2): 292-301 Mar. 2011. DOI 10.1007/s11390-011-1132-9 得的最大功耗性能比的降低。 本文也进行了硬件实现，与相关论文所提出的基于程序执行中的指令空间局 部性标识来优化处理器功耗性能比的方法（Signature History Table, SHT 方法） 相比，能有效的降低额外硬件的需求。在相同的功耗性能比的提高的前提下，本 文所提出方法使用的额外硬件资源为 SHT 方法的 14.1%，并将控制算法的计算时 间由 50 时钟周期(Clock Cycle)减小到 1 时钟周期。 本论文主要有以下贡献： 1. 建立了处理器的功耗性能比的模型，考察了能较精确反映处理器功耗性能 比的工作采样参数。 2. 提出了一种超细粒度的执行程序的特性分析方法，并对需要的额外硬件进 行了合理的优化。能够利用较小的硬件资源来较精确的预测执行程序在下一个工 作时间段的特性，即最大负载要求。 3. 基于 1 和 2，实现了细粒度的处理器功耗优化，从而能够最大限度的利用 可调整流水线的快速再配置的特性。