Ön belleklerde önceden getirme ile soft errorlar arasındaki ilişkilerin araştırılması
Capturing the interactions between prefetching and soft errors in cache memories
Yazar: OLCAY KABAL
Danışman: YRD. DOÇ. DR. İSMAİL KADAYIF
Çanakkale Onsekiz Mart Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2007
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control

Özet:
CPU ve ana bellek arasındaki hız farkını azaltmak için tasarlanan önbellekler yüksekperformanslı modern bilgisayar sistemlerinde artarak kullanılmaya devam etmektedir. Sıkçakullanılan verileri depolayarak ve CPU'nun veri ihtiyaçlarını oldukça yavas olan DRAM'denziyade hızlı erisilebilir bir SRAM'den karsılamasını saglayarak sistem performansınıartırmaktadırlar. Önbellekler oldukça iyi performans hızlanması saglamalarına ragmen, bazıuygulamalarda CPU, çalısma zamanına göre azımsanmayacak bir zamanı sadece veri istekleriiçin harcar. Veri önceden getirmesi bu problemi azaltmak için sunulan çözümlerden biridir.Veri önceden getirmesi ile verinin düsük seviyeli bir bellek bileseninden yüksek seviyeli birbellek bilesenine ihtiyaç duyulmadan önce getirilerek veriye gerçekten ihtiyaç duyuldugundaCPU'nun veriyi bellek hiyerarsisinde en yüksek seviyede bulması saglanmaktadır.Öte yandan, boyutları giderek azalan ölçekte gelisen islem teknolojisine paralel olaraksoft errorlar önemli bir tasarım problemi olarak ortaya çıkmıstır. Yüksek enerjili tanecikçarpmalarından kaynaklanan soft errorlar SRAM bellek birimlerinde depolanan degerleridegistirerek islemcilerin güvenilir bir sekilde çalısmalarına büyük bir engel teskil etmektedir.Bir milyar transistör içeren islemcilere yönelen egilim önbelleklerde transistör bütçesine%90'dan fazla kaynak ayrılmasını beraberinde getirmistir. Bunun anlamı, mikroislemcitemelli bir sistemin güvenilirliginin büyük oranda dogru önbellek islemlerine baglı olacagıdır.Bu tezde, L1 veri önceden getirmesinin soft errorlar üzerine etkilerini inceledik. Buamaçla, önce L1 veri önbellekleri için bir soft error modeli üzerine odaklanıyoruz ve bumodeli temel alarak AVFC (Architectural Vulnerability Factor for Caches ? Önbellekler çinMimari Bozulabilirlik Faktörü) denilen bir ölçüt tanımlıyoruz. AVFC, önbellekteki birbozulmanın programın sonuç çıktısında görülebilme olasılıgını ifade eder. Simülasyonortamında AVFC ölçütünü hesapladık ve SPEC2000 kullanarak deneyler yaptık.Degerlendirmemiz, önceden getirmenin, genel olarak, kirli önbellek bloklarının L2önbellegine blok temelli geri yazılması durumunda önbellegin soft errorlara maruz kalmariskini azalttıgıdır.Anahtar Sözcükler: Önbellekler, Önceden Getirme slemi, Soft Error

Abstract:
Designed for abridging speed gap between the CPU and main memory, cachememories have been increasingly used in modern high perpormance computer systems. Theyimprove system performance by storing frequently used data, and allowing CPU to satisfyingmost of the data requirements in a fast accessible SRAM instead of accessing a quite slowDRAM. Although cache memories can bring a quite performance speedup, for someapplications, the CPU spends a considerable portion of the execution time on just waiting fordata demands. Data prefetching is one of the solutions to mitigate this problem. With dataprefetching, bringing data from a low level memory component to a high level memorycomponent is started earlier than needed so that the CPU finds the data at the highest level inthe memory hierarchy when the data are actually needed.On the other hand, in parallel to ever-scaling process technology, soft errors have beenemerging an important design problem. Induced by high energetic particle strikes, soft errorsmay flip the values stored in SRAM cells, and thus presenting a significant obstacle forprocessors to run in a reliable manner. With the current trend towards billion transistorprocessors, the transistor budget of caches will be more than 90%, meaning in practice thatthe reliability of a microprocessor based system will largely be depend on the correctoperation of cache memories.In this thesis, we investigate the effects of the L1 data prefetching on soft errors. Forthis aim, we first focus on a soft error model for L1 data caches, and then based on this modelwe define a metric called AVFC (Architectural Vulnerability Factor for Caches). AVFCrepresents the probability that a fault in the cache can be visible in the final output of theprogram. We have calculated the AVFC metric within a simulation platform and madeexperiments using the SPEC2000. Our evaluation indicates that data prefecthing, in general,reduces the risk of cache?s capturing soft errors when dirty cache blocks are written back tothe L2 cache on a block basis.Key words: Caches, Prefetching, Soft Error