众核处理器的访存优化及分析

摘要

长期以来，处理器和主存的性能分别按照不同的速度增长，达到一定的程度时，处理器的快速增长对系统性能的提升逐渐被慢速发展的主存所屏蔽，从而产生存储墙问题。存储墙问题严重制约着众核处理器系统性能的提升。为了解决存储墙问题，业界提出了很多方法技术，但是随着片上可集成核数越来越多，处理器的访存需求也越来越多，这些方法和技术在实际应用中都不同程度的遭遇到了瓶颈。因此急需一种新的技术解决众核处理器的存储墙问题。光互连因为具有高带宽、低延迟、空间分布灵活以及适合远距离传输等优点成为目前解决存储墙问题的最佳选择。
　　本文在Gem5模拟器中搭建了64核的处理器系统，进行了基于片外光互连特性的访存实验，通过实验结果分析出片外光互连大大提升了处理器的片外访存效率，降低了由于片外访存带宽有限而产生的访存延迟。基于此项研究分析，本文提出，由于在众核处理器系统中，片上集成的末级缓存占用了大量芯片面积，增加了芯片集成复杂度和功耗消耗，当片外可以实现光互连之后，可以将片内集成的末级缓存移动到到片外，不仅可以保证访存效率跟末级缓存集成在片内的情况下相比不受影响甚至效率更高，而且减小了芯片面积，降低了芯片功耗和集成复杂度以及芯片制作成本。
　　本文设计了一种片内光互连网络——分段不定向光学环。这种互连网络可以在芯片内实现光互连，并且相对目前其他类型的光互连结构具有分段并行双向传输的特性，这些特性实现了更高的光互连效率，更是极大地节省了光学元件的使用，降低了功耗，是一种优化的光互连网络。在 Gem5中进行调用使用，实验结果表明，分段不定向光学环提升了片内各个核之间的交互速度以及访存效率。

目录

声明

第一章 引言

1.1 课题研究背景

1.2 课题研究意义

1.3 主要研究工作

1.4 论文组织结构

第二章 针对众核处理器访存优化的相关研究

2.1 众核处理器的发展

2.2 从存储本身解决存储墙问题的研究

2.3 光互连在处理器系统中的应用

2.4 本章小结

第三章 基于片外光互连的访存特性

3.1 GEM5模拟器

3.2 实验环境布置

3.3 测试集的分类

3.4 基于片外光互连特性的仿真实验

3.5 本章小结

第四章 片内互连网络优化

4.1 片内光互连网络结构

4.2 分段不定向光学环

4.3 基于片内片外光互连同时实现的访存实验

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 工作总结

5.2 工作展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果