Σχεδίαση και Υλοποίηση Κρυφών Μνημών Χαμηλής Ισχύος (Κρυφές Μνήμες L2/L3)
Creators: name: Παπαβασιλείου, Θεόδωρος Γ.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2025
Subjects: Κρυφή μνήμη
Χαμηλή ισχύς
Απενεργοποίηση γραμμών κρυφής μνήμης
Cache
Low power
Τurning off cache lines

description: Καθώς η τεχνολογία μεταβαίνει σε μικρότερες κλίμακες μεγέθους, όλο και περισσότερα μικρότερα τρανζίστορ συσκευάζονται σε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα (τσιπ), καθιστώντας την απώλεια στατικής ισχύος ολοένα και πιο σημαντικό παράγοντα της συνολικής κατανάλωσης ισχύος του συστήματος. Με τις κρυφές μνήμες στο τσιπ να αποτελούν σημαντικό μέρος της επιφάνειας του τσιπ, η στόχευση στις κρυφές μνήμες για τη μείωση της κατανάλωσης στατικής ενέργειας του τσιπ είναι μια πολλά υποσχόμενη επιλογή. Οι κρυφές μνήμες, ειδικά υψηλότερου επιπέδου (L2/L3), εμφανίζουν διακυμάνσεις στη χρήση τους με μεγάλες νεκρές περιόδους, δηλαδή περιόδους όπου τα δεδομένα περιμένουν τον εκτοπισμό τους καταναλώνοντας στατική ενέργεια χωρίς να είναι χρήσιμα. Για την αξιοποίηση αυτής της συμπεριφοράς της κρυφής μνήμης, σε αυτή την διατριβή προτείνεται το Tournament Decay. Πρόκειται για μια νέα τεχνική μικροαρχιτεκτονικής, βασισμένη στον υπάρχοντα μηχανισμό Cache Decay, σχεδιασμένη για κρυφές μνήμες τελευταίου επιπέδου (LLC) με σκοπό να ανιχνεύει με αποτελεσματικότητα μπλοκ που βρίσκονται (πιθανόν) σε νεκρή περίοδο και να απενεργοποιεί αμέσως την τροφοδοσία των αντίστοιχων γραμμών, εξοικονομώντας μεγάλη ποσότητα στατικής ενέργειας διατηρώντας παράλληλα την υποβάθμιση της απόδοσης όσο το δυνατόν χαμηλότερη. Η τεχνική βασίζεται σε μια καθορισμένη περίοδο, που ονομάζεται διάστημα αποσύνθεσης (DI). Εάν από την τελευταία πρόσβαση σε μια γραμμή κρυφής μνήμης παρέλθει χρόνος ίσος με το DI, η γραμμή απενεργοποιείται. Το ιδιαίτερο χαρακτηριστικό του Tournament Decay είναι ο μηχανισμός ανάδρασης, βασισμένος στην έννοια του Dynamic Set Sampling, που παρακολουθεί την επίδραση του Tournament Decay στην απόδοση του συστήματος και προσαρμόζει κατάλληλα το DI. Τα αποτελέσματα προσομοίωσης στα προγράμματα της σουίτας spec2006 δείχνουν ότι η εφαρμογή του Tour-UD-S, της πιο περίτεχνης υλοποίησης του Tournament Decay, σε μία κρυφή μνήμη L3 LLC των 2Mb ενός μονοπύρηνου συστήματος μπορεί να οδηγήσει σε κατά μέσο όρο 57% απενεργοποιημένες γραμμές κρυφής μνήμης (λόγος απενεργοποίησης, turn-off ratio) με μόνο 3,6% αύξηση στον λόγο αστοχιών (miss ratio) και αμελητέα υποβάθμιση στην απόδοση του συστήματος (ipc), με παρόμοια θετικά αποτελέσματα και σε άλλα μεγέθη L3 (1Mb, 4Mb, 8Mb). Συγκρίνοντας τα αποτελέσματα της λύσης μας με άλλες τεχνικές (Cache Decay, IATAC, AMC) δείχνουμε ότι το Tournament Decay εφαρμοσμένο σε μια LLC παρέχει τον καλύτερο λόγο απενεργοποίησης δεδομένης μιας τόσο μικρής έως αμελητέας υποβάθμισης απόδοσης.
description: As technology scales down, more and more smaller transistors are packed into a single chip, making leakage power dissipation an increasingly important factor of total power consumption. With on-chip caches making up a significant amount of chip’s area, targeting caches for reducing chip’s static energy consumption is a promising choice. Caches, especially higher-level ones (L2/L3), display fluctuations on their utilization with long dead periods, i.e. periods where data are waiting for their eviction consuming static energy without being useful. To take advantage of this cache’s behavior, in this thesis Tournament Decay is proposed. This is a new microarchitecture technique, based on existing Cache Decay mechanism, designed for last-level caches (LLCs) to effectively detect blocks that are considered to be in their dead period and promptly turn off the power of the corresponding lines, saving a great amount of static energy whilst keeping the performance degradation as low as possible. The technique is based on a defined period, called decay interval (DI). If the time from the last access on a cache line reaches the DI, the line is turned off. The unique characteristic of Tournament decay is its feedback mechanism, based on Dynamic Set Sampling, that monitors its effect on system’s performance and adapt the DI properly. Simulation results on spec2006 benchmarks show that applying Tour-UD-S, our Tournament Decay most elaborate implementation, in a 2Mb L3 LLC of a single core system can lead to an average of 57% turned-off cache lines (turn-off ratio) with only 3.6% increase in miss ratio and negligible effect on ipc, with similar promising results in other LLC sizes (1Mb, 4Mb, 8Mb). Comparing our solution’s results with other techniques (Cache Decay, IATAC, AMC) we show that Tournament Decay, applied in an LLC, provides the best turn-off ratio with this little to no performance degradation.