暗硅時代CoDA架構可擴展性及能效問題研究.pdf

1、硅工藝朝著物理極限的不斷邁進，導致了由摩爾定律和登納德定律組成的集成電路傳統(tǒng)縮放模型失效。在芯片功耗墻的限制下，人們發(fā)現(xiàn)在后登納德定律時代，芯片設計中存在使用墻問題以及由此所觀察到的暗硅現(xiàn)象。更進一步地，隨著工藝的持續(xù)進步，暗硅現(xiàn)象會不可避免地急劇惡化，使得芯片設計進入暗硅時代。
　　在暗硅時代，芯片上可以在極限時鐘頻率下翻轉的晶體管的比例急劇下降，這使芯片上出現(xiàn)大量無法有效利用的晶體管。這些不斷增加的無法使用的晶體管，導致在設計

2、芯片時功耗和能耗與芯片的面積相比更為重要。這種設計思路的轉變導致了利用暗硅來換取高能量效率的新型體系結構不斷涌現(xiàn)，大量集成異構專用協(xié)處理器就是其中之一。
　　單個專用協(xié)處理器與通用處理器相比可以提高10倍以上的能量效率，使得集成少量專用協(xié)處理器的系統(tǒng)能量效率大大提高。但常見的系統(tǒng)具有大量不同的應用負載，為了提高這樣系統(tǒng)的能量效率，架構師需要集成大量的異構專用協(xié)處理器并調度軟件到專用協(xié)處理器上執(zhí)行。這使得最終系統(tǒng)架構成為CoDA（C

3、oprocessor-Dominated Architecture)。
　　本文緊緊圍繞作者作為GreenDroid和暗硅團隊成員在加州大學圣迭戈分校工作期間，所進行的論證CoDA架構設計合理性、可擴展性、能量效率、發(fā)現(xiàn)解決未來CoDA架構實現(xiàn)所遇到的潛在問題展開，進行了以下幾個方面的創(chuàng)新性工作：
　　(1)研宄了CoDA對應用的適用性，并以此說明CoDA適合暗硅時代。本文分析了安卓移動軟件棧，發(fā)現(xiàn)大部分應用是基于共享原生庫

4、和虛擬機的，硬件化這部分軟件就可以使得應用的大部分運行在專用協(xié)處理器上。之后重點分析了安卓瀏覽器，并使用硅構造專用協(xié)處理器實現(xiàn)了這個瀏覽器。實驗結果表明在22 n m工藝下7mm2的硅面積用于構造專用處理器就可以覆蓋瀏覽器90％的運行。使用可接受的硅面積就可以覆蓋應用執(zhí)行，證明了CoDA架構適合暗硅時代。
　　(2)針對快速探索CoDA設計空間的需求，提出了CoDA架構分析模型，并對本文提出的多維度可擴展CoDA架構進行建模。該架

5、構可以由不同數(shù)量的瓦片組成，每一個瓦片可以包含不同數(shù)量的函數(shù)粒度專用協(xié)處理器，并且每一個專用協(xié)處理器都可以是異構的。分析模型用來評估每一種特定CoDA架構的能量、面積和性能；模型參數(shù)既包含了高層次的體系結構參數(shù)，也包含低層次的電路實現(xiàn)參數(shù)。
　　(3)探索了CoDA架構在不同Cache配置、瓦片大小、粗粒度能耗管理策略以及晶體管實現(xiàn)等參數(shù)下的能量效率問題。在最優(yōu)化的參數(shù)條件下，與通用架構相比小規(guī)模CoDA設計可以帶來5.3倍的能量

6、效率優(yōu)化和5倍的能量延時積（energy-delay product，EDP)優(yōu)化；而對于支持上百個應用的大規(guī)模CoDA設計，可以帶來3.7倍的能量效率優(yōu)化和3.5倍的EDP優(yōu)化。這說明為大規(guī)模應用而設計的大規(guī)模CoDA擴展是有效的。此外，本文發(fā)現(xiàn)CoDA設計即使采用了激進的能耗管理策略，漏電功耗所占總功耗的比例仍然隨CoDA規(guī)模增大而增大。
　　(4)探索了并發(fā)執(zhí)行對CoDA能量效率的影響。積極的影響是這些同時運行的程序或線程可

7、以分攤漏電功耗等固定的開銷，這樣可以提高系統(tǒng)的能量效率。消極的影響是，當驅動CoDA生成的目標應用集合和實際運行的應用集合不匹配時，會造成大量程序競爭某些專用協(xié)處理器，系統(tǒng)的平均能量效率將大大降低。本文提出CoDA架構集成覆蓋多個函數(shù)功能的融合QsCore來減少競爭沖突。實驗表明使用融合QsCore的方式，僅僅增加41%的面積就可以提供2倍數(shù)量的專用協(xié)處理器，并使得非均勻分布負載的能量效率提高11.1%~22.1%。
　　(5)針