面向多核共享内存的低功耗研究

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1、中文图书分类号：TP391密级：公开UDC：004学校代码：10005硕士学位论文MASTERALDISSERTATION论文题目：面向多核共享内存的低功耗研究论文作者：路佳佳学科：计算机科学与技术指导教师：方娟教授论文提交日期：2016年5月UDC：004学校代码：10005中文图书分类号：TP391学号：S201307018密级：公开北京工业大学工学硕士学位论文题目：面向多核共享内存的低功耗研究英文题目：RESEARCHONLOW-POWERORIENTEDSHAREDMEMORYFORMULTI-CORESYSTEMS论文作者：路佳佳学科专业：计算机科学与技术

2、研究方向：计算机系统结构申请学位：工学硕士指导教师：方娟教授所在单位：计算机学院答辩日期：2016年6月授予学位单位：北京工业大学独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：路佳佳日期：2016年6月20日关于论文使用授权的说明本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学

3、校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。（保密的论文在解密后应遵守此规定）签名：路佳佳日期：2016年06月20日导师签名：方娟日期：2016年06月20日摘要摘要随着科技水平的不断发展，人们对计算能力的要求也随之增高，因此，片上多核处理器已经成为主流处理器发展的趋势。伴随着片上多核处理器集成的核数越来越多，DRAM内存系统承受的压力越来越大。多核系统对主存芯片的容量、工作频率和带宽的需求不断提高，使得内存系统消耗的能量急剧增加。研究表明，DRAM内存系统所占的功耗比例已经超过40

4、%，所消耗的功耗已经接近甚至超过了处理器所消耗的功耗。DRAM内存系统功耗已经是制约将来CMP系统性能发展的主要的因素。另外，片上多个核之间的访存请求交织在一起相互干扰，对共享的内存资源的竞争也逐渐加剧，这又进一步恶化了这种趋势。因此，如何在保证系统性能的前提下，实现内存系统的低功耗，已经成为目前亟待解决的问题。本文针对当前共享内存的多核系统优化方案的研究现状进行分析，发现目前的大多数方案主要是最大化系统性能、最大化公平性、最小化功耗等方面。大多数降低内存功耗的方案主要是建立在牺牲系统性能或者公平性的基础之上，这就像木桶理论，如果不能同时兼顾性能和功耗的优化，单方面

5、的优化也并无实质性的改进。尽管摩尔定律推动着处理器结构不断改进，使得处理器的性能高速发展，但是内存墙问题依然存在，而且这一问题随着片上集成的核数的增多，会变得愈加严重。针对以上情况，为了提高系统性能，降低DRAM内存系统功耗，本文首先提出了一种新型的存储体划分机制-动态存储体划分DBP(DynamicBankPartitioning)。DBP根据并行运行的各个线程的访存请求的特点，结合各个线程对Bank数不同的需求，动态地为其制定最佳的Bank划分规则，代替了传统的静态的等量Bank划分。DBP不仅有效地消除了线程间访存请求的相互干扰，而且充分发挥了行局部性和Ban

6、k级并行性的优势。为了节省Bank资源，对于访存不密集的线程，DBP并不为其分配专门的Bank。因为这类线程的访存请求个数很少，对来自其他线程的访存请求的干扰很小，故优先处理这类线程的访存请求并让其平等地访问内存系统中所有的Bank。对于访存密集但行局部性原理不明显的应用，DBP着重在这类应用的Bank级并行性和行局部性原理这两方面取得平衡，取得最大的收益。最后对于访存密集且局部性原理强的应用，DBP主要是消除这类应用之间访存请求的相互干扰，保留应用原始的访存请求的特点，充分利用这些应用的访存局部性原理强的特点。第二部分工作，为了进一步降低内存功耗，提高系统性能，本

7、文又提出了基于Bank划分的自适应页策略。Bank划分不仅有效地消除了不同核之间访存请求的相互干扰，保留了并行运行的多个应用的访存请求的-I-北京工业大学工学硕士学位论文原始特点，并且充分挖掘了自适应页策略对降低功耗的潜在优势。在Bank划分的基础上，自适应页策略根据各个Bank所接收的访存请求的特点，动态地为其分配最佳的页策略，从而达到进一步降低内存功耗、提升系统性能的目的。为了精准地评估实验方案对内存功耗和系统性能的影响，本文采用Gem5全系统模拟器作为基础架构模拟平台，另外在Gem5内部集成了内存时钟精确仿真器DRAMSim2，并用CPUSPEC2006测