Hardware design of task superscalar architecture
Authors:   , Yazdanpanah Fahimeh 
Published: July 2023

Exploiting concurrency to achieve greater performance is a difficult and important challenge for current high performance systems. Although the theory is plain, the complexity of traditional parallel programming models in most cases impedes the programmer to harvest performance.
Several partitioning granularities have been proposed to better exploit concurrency at task granularity. In this sense, different dynamic software task management systems, such as task-based dataflow programming models, benefit dataflow principles to improve task-level parallelism and overcome the limitations of static task management systems. These models implicitly schedule computation and data and use tasks instead of instructions as a basic work unit, thereby relieving the programmer of explicitly managing parallelism. While these programming models share conceptual similarities with the well-known Out-of-Order superscalar pipelines (e.g., dynamic data dependency analysis and dataflow scheduling), they rely on software-based dependency analysis, which is inherently slow, and limits their scalability when there is fine-grained task granularity and a large amount of tasks.
The aforementioned problem increases with the number of available cores. In order to keep all the cores busy and accelerate the overall application performance, it becomes necessary to partition it into more and smaller tasks. The task scheduling (i.e., creation and management of the execution of tasks) in software introduces overheads, and so becomes increasingly inefficient with the number of cores. In contrast, a hardware scheduling solution can achieve greater speed-ups as a hardware task scheduler requires fewer cycles than the software version to dispatch a task.
The Task Superscalar is a hybrid dataflow/von-Neumann architecture that exploits the task level parallelism of the program. The Task Superscalar combines the effectiveness of Out-of-Order processors together with the task abstraction, and thereby provides an unified management layer for CMPs which effectively employs processors as functional units. The Task Superscalar has been implemented in software with limited parallelism and high memory consumption due to the nature of the software implementation.
In this thesis, a Hardware Task Superscalar architecture is designed to be integrated in a future High Performance Computer with the ability to exploit fine-grained task parallelism. The main contributions of this thesis are: (1) a design of the operational flow of Task Superscalar architecture adapted and improved for hardware implementation, (2) a HDL prototype for latency exploration, (3) a full cycle-accurate simulator of the Hardware Task Superscalar (based on the previously obtained latencies), (4) full design space exploration of the Task Superscalar component configuration (number and size) for systems with different number of processing elements (cores), (5) comparison with a software implementation of a real task-based programming model runtime using real benchmarks, and (6) hardware resource usage exploration of the selected configurations.
Explotar la concurrencia para conseguir un mejor rendimiento es un reto importante y difícil para los sistemas de alto rendimiento. Aunque la teoría es sencilla, en muchos casos la complejidad de los modelos de programación paralela tradicionales impide al programador obtener un buen rendimiento.
Se han propuesto diferentes granularidades de particionamiento de tareas para explotar mejor la concurrencia implícita en las aplicaciones. En este sentido, diferentes sistemas software de manejo dinámico de tareas utilizan los principios de ejecución "dataflow" para mejorar el paralelismo a nivel de tarea y superar el rendimiento de los sistemas de planificación estáticos. Estos modelos planfican la ejecución dinámicamente y utilizan tareas, en lugar de instrucciones, como unidad básica de trabajo. De esta forma descargan al programador de tener que realizar la sincronización de las tareas explícitamente en su programa. Aunque estos modelos de programación comparten muchas similitudes con los bien conocidos procesadores fuera de orden (como el análisis dinámico de dependencias y la ejecución en "dataflow"), dependen de un análisis dinámico software de las dependencias. Dicho análisis es inherentemente lento y limita la escalabilidad cuando hay un gran número de tareas pequeñas.
Los problemas antes mencionados se incrementan exponencialmente con el número de núcleos disponibles. Para conseguir mantener todos los núcleos ocupados y conseguir acelerar el rendimiento global de la aplicación se hace necesario particionarla en muchas tareas pequeñas. La gestión de dichas tareas (es decir, su creación y distribución entre los núcleos) en software introduce sobrecostes, y por tanto resulta ineficiente conforme aumenta el número de núcleos. En contraposición, un sistema hardware de planificación de tareas puede conseguir mejores rendimientos ya que requiere una menor latencia en la gestión de las tareas.
El Task Superscalar (TSS) es una arquitectura híbrida dataflow/von-Neumann que explota el paralelismo a nivel de tareas de los programas. El TSS combina la efectividad de los procesadores fuera de orden con la abstracción de tarea, y por tanto provee una capa unificada de gestión para los CMPs que gestiona los núcleos como unidades funcionales. Previo al trabajo de esta tesis el Task Superscalar se había implementado en software con un paralelismo limitado y mucho consumo de memoria debido a las limitaciones inherentes de una implementación software.
En esta tesis se diseñado una implementación hardware de la arquitectura Task Superscalar con capacidad para manejar muchas tareas de pequeño tamaño que es integrable en un futuro computador de altas prestaciones. Así pues, las contribuciones principales de esta tesis son: (1) el diseño de un flujo operacional de la arquitectura Task Superscalar adaptado y mejorado para su implementación hardware; (2) un prototipo HDL de dicho flujo para la exploración de las latencias asociadas a la implementación hardware; (3) un simulador ciclo a ciclo del diseño hardware basado en los resultados obtenidos en la implementación hardware; (4) una exploración completa del espacio de diseño de los componentes hardware (número y cantidad de módulos, tamaños de las memorias, etc.) para diferentes tamaños de computadores (es decir, para diferentes cantidades de nucleos); (5) una comparación con la implementación software actual del mismo modelo de programación utilizando aplicaciones reales y; (6) una exploración de la utilización de recursos hardware de las diferentes configuraciones seleccionadas.