暗硅時代CoDA架構(gòu)可擴展性及能效問題研究.pdf

1、硅工藝朝著物理極限的不斷邁進，導(dǎo)致了由摩爾定律和登納德定律組成的集成電路傳統(tǒng)縮放模型失效。在芯片功耗墻的限制下，人們發(fā)現(xiàn)在后登納德定律時代，芯片設(shè)計中存在使用墻問題以及由此所觀察到的暗硅現(xiàn)象。更進一步地，隨著工藝的持續(xù)進步，暗硅現(xiàn)象會不可避免地急劇惡化，使得芯片設(shè)計進入暗硅時代。
　　在暗硅時代，芯片上可以在極限時鐘頻率下翻轉(zhuǎn)的晶體管的比例急劇下降，這使芯片上出現(xiàn)大量無法有效利用的晶體管。這些不斷增加的無法使用的晶體管，導(dǎo)致在設(shè)計

2、芯片時功耗和能耗與芯片的面積相比更為重要。這種設(shè)計思路的轉(zhuǎn)變導(dǎo)致了利用暗硅來換取高能量效率的新型體系結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，大量集成異構(gòu)專用協(xié)處理器就是其中之一。
　　單個專用協(xié)處理器與通用處理器相比可以提高10倍以上的能量效率，使得集成少量專用協(xié)處理器的系統(tǒng)能量效率大大提高。但常見的系統(tǒng)具有大量不同的應(yīng)用負載，為了提高這樣系統(tǒng)的能量效率，架構(gòu)師需要集成大量的異構(gòu)專用協(xié)處理器并調(diào)度軟件到專用協(xié)處理器上執(zhí)行。這使得最終系統(tǒng)架構(gòu)成為CoDA（C

3、oprocessor-Dominated Architecture)。
　　本文緊緊圍繞作者作為GreenDroid和暗硅團隊成員在加州大學圣迭戈分校工作期間，所進行的論證CoDA架構(gòu)設(shè)計合理性、可擴展性、能量效率、發(fā)現(xiàn)解決未來CoDA架構(gòu)實現(xiàn)所遇到的潛在問題展開，進行了以下幾個方面的創(chuàng)新性工作：
　　(1)研宄了CoDA對應(yīng)用的適用性，并以此說明CoDA適合暗硅時代。本文分析了安卓移動軟件棧，發(fā)現(xiàn)大部分應(yīng)用是基于共享原生庫

4、和虛擬機的，硬件化這部分軟件就可以使得應(yīng)用的大部分運行在專用協(xié)處理器上。之后重點分析了安卓瀏覽器，并使用硅構(gòu)造專用協(xié)處理器實現(xiàn)了這個瀏覽器。實驗結(jié)果表明在22 n m工藝下7mm2的硅面積用于構(gòu)造專用處理器就可以覆蓋瀏覽器90％的運行。使用可接受的硅面積就可以覆蓋應(yīng)用執(zhí)行，證明了CoDA架構(gòu)適合暗硅時代。
　　(2)針對快速探索CoDA設(shè)計空間的需求，提出了CoDA架構(gòu)分析模型，并對本文提出的多維度可擴展CoDA架構(gòu)進行建模。該架

5、構(gòu)可以由不同數(shù)量的瓦片組成，每一個瓦片可以包含不同數(shù)量的函數(shù)粒度專用協(xié)處理器，并且每一個專用協(xié)處理器都可以是異構(gòu)的。分析模型用來評估每一種特定CoDA架構(gòu)的能量、面積和性能；模型參數(shù)既包含了高層次的體系結(jié)構(gòu)參數(shù)，也包含低層次的電路實現(xiàn)參數(shù)。
　　(3)探索了CoDA架構(gòu)在不同Cache配置、瓦片大小、粗粒度能耗管理策略以及晶體管實現(xiàn)等參數(shù)下的能量效率問題。在最優(yōu)化的參數(shù)條件下，與通用架構(gòu)相比小規(guī)模CoDA設(shè)計可以帶來5.3倍的能量

6、效率優(yōu)化和5倍的能量延時積（energy-delay product，EDP)優(yōu)化；而對于支持上百個應(yīng)用的大規(guī)模CoDA設(shè)計，可以帶來3.7倍的能量效率優(yōu)化和3.5倍的EDP優(yōu)化。這說明為大規(guī)模應(yīng)用而設(shè)計的大規(guī)模CoDA擴展是有效的。此外，本文發(fā)現(xiàn)CoDA設(shè)計即使采用了激進的能耗管理策略，漏電功耗所占總功耗的比例仍然隨CoDA規(guī)模增大而增大。
　　(4)探索了并發(fā)執(zhí)行對CoDA能量效率的影響。積極的影響是這些同時運行的程序或線程可

7、以分攤漏電功耗等固定的開銷，這樣可以提高系統(tǒng)的能量效率。消極的影響是，當驅(qū)動CoDA生成的目標應(yīng)用集合和實際運行的應(yīng)用集合不匹配時，會造成大量程序競爭某些專用協(xié)處理器，系統(tǒng)的平均能量效率將大大降低。本文提出CoDA架構(gòu)集成覆蓋多個函數(shù)功能的融合QsCore來減少競爭沖突。實驗表明使用融合QsCore的方式，僅僅增加41%的面積就可以提供2倍數(shù)量的專用協(xié)處理器，并使得非均勻分布負載的能量效率提高11.1%~22.1%。
　　(5)針