Affordable kilo-instruction processors
Authors:   , Pericàs Gleim Miquel 
Published: July 2023

Diversos motius expliquen l'estancament en el que es troba el desenvolupament del processador tradicional dissenyat per maximitzar el rendiment d'un únic fil d'execució. Per una banda, técniques agressives com la supersegmentacó del camí de dades o l'execució fora d'ordre tenen un impacte molt negatiu sobre el consum de potència i la complexitat del disseny. Altrament, l'increment en la freqüència del processador augmenta la discrepància entre la velocitat del processador i el temps d'accés a memòria principal. Tot i que les memòries cau redueixen considerablement el nombre d'accessos a memòria principal, aquests accessos introdueixen latencies prou grans per reduir considerablement el rendiment. Tècniques convencionals com l'execució fora d'ordre, útils per ocultar accessos a les memòries cau de 2on nivell, no estan pensades per ocultar latències tan grans. Caldrien cues amb mides de centenars d'instruccions i milers de registres per tal de no interrompre l'execució en el moment de produir-se un accés a memòria principal. Desafortunadament, la tecnologia disponible no és eficient per implementar aquestes estructures monolíticament, doncs resultaria un temps d'accés molt elevat, un consum de potència igualment elevat i un àrea no menyspreable. <br/><br/>En aquesta tesi s'han estudiat tècniques que permeten l'implementació d'un processador amb capacitat per continuar processant instruccions en el cas de que es produeixin accessos a memòria principal. Les condicions per a que aquest processador sigui implementable són que estigui basat en estructures de mida convencional i que tingui una unitat de control senzilla. El repte es troba en conciliar un model de processador distribuït amb un control senzill. El problema del disseny del processador s'ha enfocat observant el comportament d'un processador de recursos infinits. S'ha observat que l'execució segueix uns patrons molt interessants, basats en la localitat d'execució. En aplicacions numèriques s'observa que més del 70% de les instruccions no depenen de accessos a memòria principal. Aixó és molt important doncs mostra que sempre hi ha una porció important d'instruccions executables poc després de la decodificació. Aixó permet proposar un nou tipus de processador amb dues unitats d'execució. La primera unitat (el "Cache Processor") processa a alta velocitat instruccions independents de memòria principal. La segona unitat ("Memory Processor") processa les instruccions dependents de accessos a memòria principal, pero de forma molt més relaxada, cosa que li permet mantenir milers de instruccions en vol. Aquesta proposta rep el nom de Decoupled KILO-Instruction Processor (D-KIP) i té forces avantatges: per un costat permet la construcció d'un kilo-instruction processor basat en estructures convencionals i per l'altre simplifica el disseny ja que minimitza les interaccions entre ambdos unitats d'execució.<br/><br/>En aquesta tesi es proposen dos implementacions de processadors desacoblats: el D-KIP original, i el Flexible Heterogeneous MultiCore (FMC). Sobre aquestes propostes s'analitza el rendiment i es compara amb altres tècniques que incrementan el parallelisme de memoria, com el prefetching o l'execució "runahead". D'aquesta avaluació es desprén que el processador FMC té un rendiment similar al de un processador convencional amb una finestra de 1500 instruccions en vol. Posteriorment s'analitza l'integració del FMC en entorns multicore/multiprogrammats. La tesi es completa amb la proposta d'una cua de loads i stores (LSQ) per a aquest tipus de processador.

Several motives explain the slowdown of high-performance single-thread processor development. On the one hand, aggressive techniques such as superpipelining or out-of-order execution have a considerable impact on power consumption and design complexity. On the other hand, the increment in processor frequencies has led to a large disparity between processor speed and memory access time. Although cache memories considerably reduce the number of accesses to main memory, the remaining accesses introduce latencies large enough to considerably decrease performance. Conventional techniques such as out-of-order execution, while effective in hiding L2 cache accesses, cannot hide latencies this large. Queues of hundreds of entries and thousands of registers would be necessary in order to prevent execution from stalling in the event of a L2 cache miss. Unfortunately, current technology cannot efficiently implement such structures monolithically, as access latencies would considerably increase, as would power consumption and area consumption.<br/><br/>In this thesis we studied techniques that allow the processor to continue processing instructions in the event of main memory accesses. The conditions for such a processor to be implementable are that it should be based on structures of conventional size and that it should feature simple control logic. The challenge lies in being able to design a distributed processor with simple control. The design of this processor has been approached by analyzing the behavior of a processor with infinite resources. We have observed that execution follows a very interesting pattern based on execution locality. In numerical codes we observed that over 70% of all instructions do not depend on memory accesses. This is interesting since it shows that there is always a large portion of instructions that can be executed shortly after decode. This allows us to propose a new kind of processor with two execution units. The first unit, the Cache Processor, processes memory-independent instructions at high speed. The second unit, the Memory Processor, processes instructions that depend on main memory accesses, but using relaxed scheduling logic, which allows it to scale to thousands of in-flight instructions. This proposal, which receives the name of Decoupled KILO-Instruction Processor (D-KIP), has several advantages. On the one hand it allows the construction of a kilo-instruction processor based on conventional structures and, on the other hand, it simplifies the design as the interaction between both execution units is minimal. <br/><br/>In this thesis two implementations for this kind of processor are presented: the original D-KIP and the Flexible Heterogeneous MultiCore (FMC). The performance of these proposals is analyzed and compared to other proposals that increase memory-level parallelism, such as prefetching or runahead execution. It is observed that the FMC processor performs at the same level of a conventional processor with a window of around 1500 instructions. Further, the integration of the FMC processor into a multicore/multiprogrammed environment is studied. This thesis concludes with the proposal of a two-level Load/Store Queue for this kind of processor.