適用于高性能計算節(jié)點的多核系統協同優(yōu)化設計.pdf

1、隨著集成電路技術的發(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的發(fā)展帶來一個不可多得的機遇:系統的各個層次和構件（接口協議、高速緩存、互連網絡等）可以進行跨層次的協同優(yōu)化設計。本論文面向未來高端系統的計算節(jié)點，從多核任務調度、存儲子系統、片上互連網絡三個方面探索片上多核處理器的優(yōu)化設計方法，提出未來高端系統多核處理器節(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的多核異構調度器，用來高效

2、地管理片上多核系統。操作系統作為應用程序和硬件的中間層，其效率對整個片上多核系統的性能有很大的影響。為了讓應用程序能夠充分利用片上多核系統的資源，需要考慮負載平衡、存儲一致性、任務同步等問題。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的優(yōu)化設計，提出了一種基于主從式實時操作系統的多核異構任務調度器，其主要特性包括:1）簡潔、明晰的接口協議，配合數據流并行編程模型，方便程序員編寫并行程序;2）任務調度器與代理執(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上的并行程序;3）利用任務分類策略，簡化了任務調度的流程;采用專用的控制子網用于同步消息的傳輸，加速了任務同步，減少了任務調度的開銷。仿真結果表明，在1個主控核配合8個加速器核的多核系統配置下，采用本文提出的多核異構調度器，多核系統提升了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數據預取引擎來優(yōu)化片上多核處理器的存儲子系統。在多核處理器系統中運行的各

4、線程之間，通常會共享末級緩存和片外存儲器。數據預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用程序的執(zhí)行效率，并且限制了系統的擴展性。本文通過分析多線程應用中共享資源的競爭情況，提出了線程感知的自適應數據預取引擎，其主要特性包括:1）采用運行時的線程分類指導機制，對數據預取引擎進行動態(tài)調整，以減少共享資源的競爭;2）采用一種預取過濾機制，避免預取導致的線程間數據無效化;3）采用關鍵線程加速機制，用于預測以及加

5、速位于程序最長執(zhí)行路徑上的關鍵線程。64路片上多核模擬器的仿真結果表明:相比于基準多模式數據預取引擎，本文提出的線程感知的自調數據預取引擎可以減少7％的線程間共享數據無效化，同時減少6％的線程同步平均等待時間;與不采用預取機制的結果相比，本文提出的數據預取引擎可以節(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的仿真方法來支持光電互連網絡的精確模擬以及多核系統的整體仿真。光互連技術具有時延低、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同工作，實現了光電互連網絡的精確模擬;通過對多線程編程的支持，擴展了仿真規(guī)模，實現了256核光電互連系統的周期級精確仿真。通過仿真實驗，分析了256節(jié)點時不同分簇大小對于網絡功耗、時延等性能參數的影響，提出了未來片上光電互連網絡的優(yōu)化方向。
　　本論文提出的多核處理器優(yōu)化設計方法，達到了降低多核任務調度開銷、減少線程間共享數據沖突的目的，提高了操作