SONATA: Özelleştirilmiş adres yazmaçları ile enerji tasarrufu
SONATA: Specialized address registers to reduce power consumption
Yazar: ESRA NUR AYAZ
Danışman: PROF. DR. OĞUZ ERGİN
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control

Özet:
Modern bilgisayarlar, adres çevrimini gerçekleştirmek için sayfa tabloları kullanmaktadır. Çevrimin yapılabilmesi için 5 bellek erişimi gerekmektedir. Bu sıkça gerçekleşen bellek erişimlerine ciddi bir yük bindirmektedir. Adres çevriminin kapsadığı alan kullanılan sisteme göre değişmekle birlikte genellikle sayfa boyutuyla (4KB) kelime boyutu (8 bayt) arasında büyük bir boyut farkı bulunmaktadır. Sonuç olarak yazmaç öbeğinin ciddi bir kısmı büyük kısmı tekrar edilen bellek adresleriyle dolmaktadır. Dahası, sayfa tablosu için önbellek görevi gören Etkinleştirilmiş Sayfalar Önbelleği (ESÖ), yazmaçtaki sanal adreslerin bir kopyasını zaten tutmaktadır.
Bu çalışmada sayfa tablosu tabanlı adres çevrimi yapan sistemlerde bu tekrar etme durumunu çözerek enerji tasarrufu ve performans artışı sağlamayı amaçladık. Bu nedenle SONATA adını verdiğimiz mikromimari değişikliği öneriyoruz. SONATA bu amaçla yazmaçların bir kısmını ayırıp sadece adresler için kullanır. Adreslerin sayfa numaraları ESÖ'de saklanır. SONATA mikromimaride asgari düzeyde değişiklik yapar ve yazmaç sayısını ile yazmaç öbeğine erişim mekanizmasını değiştirmez. SONATA yazmaç öbeğinin dinamik enerji tüketiminde %6.67'lık, ESÖ aramalarının enerji tüketiminde %38.56'lık ve AMB'nin enerji tüketiminde %1.86'lık bir tasarruf sağlar. Bunun yanında ESÖ'deki bulma oranını %3.14 artırır.

Abstract:
Current computing systems use page tables to perform address translation. Modern computers make 5 memory accesses to obtain a translation. This adds a serious amount of overhead to the memory access. The granularity of the address translation is typically defined by the page size employed in the system. In current systems, there is a significant discrepancy between the page size (typically 4 KiB) and the word size (8 bytes in a 64-bit system CPU). As a result, the register file in the processor fills up with partially redundant memory address operands that point to different words in the same virtual page. Furthermore, the Translation Lookaside Buffer (TLB), which is a cache for address translations, contains an additional copy of the same virtual page number in one of its entries.
Our goal is to exploit this redundancy to improve the performance and energy consumption of computing systems that employ page table based address translation. To this end, we introduce SONATA, a microarchitectural modification that proposes to reserve a fraction of registers for offsets and use them as a new register type: Address registers. SONATA stores base addresses belonging to address registers in the TLB. SONATA makes minimal changes to the system and does not change the number of registers or the access mechanism to the overall register file. SONATA offers a reduction in register file's dynamic energy consumption by 6.67%, TLB's energy consumption by 38.56% and ALU energy consumption by 1.86%.