Researches on Enhancing Power/Performance Efficiency in Pipeline Stage Unification Processors

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(1)Title. Researches on Enhancing Power/Performance Efficiency in Pipeline Stage Unification Processors( Abstract_要旨 ). Author(s). Yao, Jun. Citation. 京都大学. Issue Date. URL. 2009-03-23. http://hdl.handle.net/2433/123860. Right. Type. Textversion. Thesis or Dissertation. none. Kyoto University.

(2) 氏. 名. 姚. 駿. (論文内容の要旨) 近 年 の プ ロ セ ッ サ の 設 計 で は , 電 力 性 能 比 の 向 上 は 重 要 な 要 求 の 1つ と な っ て い る . こ の 電 力 性 能 比 向 上 を 目 的 と し て , パ イ プ ラ イ ン ・ ス テ ー ジ 統 合 (PSU)と 呼 ば れ るアーキテクチャ・レベルの低電力化方法が提案され,将来のプロセス技術におい て も 有 望 と み な さ れ て い る . PSUは , プ ロ セ ッ サ の 負 荷 が 軽 い 場 合 , パ イ プ ラ イ ン ・ レジスタの一部を適切に無効化し,バイパスする事で,短いパイプラインとして使 用する方式であり,このパイプライン・レジスタの無効化による電力削減と短いパ イ プ ラ イ ン に よ る IPC(Instructions Per Cycle)の 向 上 に よ り , 電 力 性 能 比 の 向 上 を 達 成 で き る . PSU方 式 で は , 動 的 に パ イ プ ラ イ ン の 深 さ を 変 更 す る こ と で , 幅 広 い ア プリケーションにおいて低消費電力と高性能を実現できる. 本 論 文 で は , PSUを 用 い る プ ロ セ ッ サ に お い て , 動 的 に パ イ プ ラ イ ン ス テ ー ジ 統 合 を行う戦略の提案と評価について述べたものであり,本論文の内容は以下のとおり である. 第 1章 序 論 本研究の背景,目的,ならびに,本論文の構成について述べている. 第 2章 パ イ プ ラ イ ン ・ ス テ ー ジ 統 合 方 式 近 年 の モ バ イ ル・プ ロ セ ッ サ で は ,低 消 費 電 力 と 高 性 能 の 両 方 が 要 求 さ れ て い る . こ の 要 求 を 満 た す た め に , 現 在 DVS(Dynamic Voltage Scaling)と 呼 ば れ る 方 式 が 広 く利用されている.しかし,将来の半導体プロセス技術では,最小電源電圧はそれ ほ ど 下 げ ら れ な い こ と か ら , DVSの 有 効 性 は 減 少 し て い く こ と が 予 想 さ れ る .こ れ に 対 し て , パ イ プ ラ イ ン ・ ス テ ー ジ 統 合 (PSU: Pipeline Stage Unification)と 呼 ぶ 手 法 で は , DVSと 異 な り , 電 源 電 圧 を 低 下 さ せ る の で は な く , パ イ プ ラ イ ン ・ レ ジ ス タ をバイパスさせることによって複数のパイプライン・ステージを統合する手法であ る.クロック・ドライバの消費電力削減や,分岐予測などの投機失敗に対するペナ ル テ ィ 削 減 に よ る IPC向 上 に よ り ,プ ロ セ ッ サ の 消 費 エ ネ ル ギ ー が 削 減 さ れ る 特 徴 が あ る . 本 章 で は , PSUの 概 要 を 紹 介 し て い る . 第 3章 パ イ プ ラ イ ン ・ ス テ ー ジ 統 合 を 行 う プ ロ セ ッ サ の 最 適 な パ イ プ ラ イ ン 深 さ これまでの深さ固定のパイプラインでは,様々なアプリケーションに対して最適 な パ イ プ ラ イ ン の 深 さ と は な っ て い な い こ と を ベ ン チ マ ー ク と 通 し て 示 し ,PSUの 適 用 に つ い て の 妥 当 性 の 検 証 を 行 っ た . ま た ,ベ ー ス と な る PSUパ イ プ ラ イ ン の 段 数 に つ い て 検 討 を 加 え , 24段 に 設 定 し た . し た が っ て , こ の PSUプ ロ セ ッ サ で は , 6段 , 12段 , 24段 の パ イ プ ラ イ ン を 提 供 で き る ..

(3) 氏. 名. 姚. 駿. 第 4章 プ ロ グ ラ ム の フ ェ ー ズ に 応 じ た 動 的 な パ イ プ ラ イ ン ・ ス テ ー ジ 統 合 の 制 御 方 法 個 々 の ア プ リ ケ ー シ ョ ン で は , そ の プ ロ グ ラ ム 内 の 局 面 (フ ェ ー ズ )に よ っ て プ ロ セ ッ サ の 実 行 状 態 は 変 化 す る . そ の た め , フ ェ ー ズ に 応 じ て 動 的 に PSUを 適 用 す る こ とによって電力性能比を向上させることができる.先行研究としてプログラム中の ワークロードの特性を定量的に表すため,シグニチャと呼ばれるものを用いる手法 がある.本章ではこのシグニチャと履歴表を組み合わせた,新しいフェーズ検出方 法 を 提 案 し , そ の 評 価 と し て 電 力 性 能 比 が 11.4% 向 上 す る こ と を 示 し た . 第 5章 細 粒 度 の ラ ン タ イ ム で の 最 適 化 な パ イ プ ラ イ ン ・ ス テ ー ジ 統 合 方 法 PSUを 用 い た プ ロ セ ッ サ で は , 電 源 電 圧 を 変 更 し な い の で , 現 在 の DVS方 法 よ り 非 常に短い時間で動的に構成を変更することができる.この特長を利用した,ハード ウ ェ ア コ ス ト の 小 さ い , 新 し い PSU動 的 適 用 手 法 を 提 案 し た . こ れ は , 容 易 に 得 る こ と が で き る ス ル ー プ ッ ト の 統 計 情 報 に 基 づ き ,よ り 細 か い 間 隔 で PSUの 適 用 を 変 化 さ せるものである.この方法は実装コストを大幅に下げることができることを示し, ま た , 細 か な PSUの 適 用 で 電 力 性 能 比 を さ ら に 向 上 さ せ る こ と を 確 認 し た . 第 6章 ALU カ ス ケ ー デ ィ ン グ 機 能 を 有 す る ス ー パ ー ス カ ラ ・ プ ロ セ ッ サ 用 命 令 ス ケ ジューラ プ ロ セ ッ サ の IPCを 向 上 さ せ る た め ,ALU カ ス ケ ー デ ィ ン グ と 呼 ば れ る 手 法 が あ る . こ れ は ALUの 出 力 を 別 の ALUの 入 力 に 直 接 つ な ぎ , 1ク ロ ッ ク ・ サ イ ク ル 中 に デ ー タ 依 存 関 係 に あ る 命 令 の 組 を 同 時 に 実 行 す る 方 式 で あ る .こ の 方 式 を PSUに 適 用 す る こ と に よ り さ ら に 電 力 性 能 比 が 向 上 す る こ と が 期 待 で き る . こ の た め , ALU カ ス ケ ー デ ィ ン グ 用 の ス ケ ジ ュ ー リ ン グ を 行 え る 命 令 ス ケ ジ ュ ー ラ に つ い て 提 案 を 行 い ,PSUの 電力性能比の向上についての評価を行った. 第 7章 結 論 本論文で得られた主要な結論について要約している..

(4) 氏. 名. 姚. 駿. (論文審査の結果の要旨) 近 年 の プ ロ セ ッ サ の 設 計 で は , 電 力 性 能 比 の 向 上 は 重 要 な 要 求 の 1つ と な っ て い る . こ の 要 求 に 応 え る た め , パ イ プ ラ イ ン ・ ス テ ー ジ 統 合 (PSU)と 呼 ば れ る ア ー キ テ クチャ・レベルの低電力化方法が提案され,将来のプロセス技術においても効果的 で あ る と い わ れ て い る . 本 論 文 で は , PSUを 用 い る プ ロ セ ッ サ に お い て 電 力 性 能 比 の 向 上 を 実 現 す る こ と を 目 的 と し た 種 々 の 手 法 を 提 案 し ,そ れ ら の 評 価 を 行 っ て い る . 得られた主な成果は以下の通りである. 1. ア プ リ ケ ー シ ョ ン ご と に 最 適 な パ イ プ ラ イ ン 段 数 の 調 査 に 基 づ く PSUの ベースプロセッサの提案 さまざまなアプリケーションを検討した結果,最適なパイプライン段数はアプリ ケ ー シ ョ ン ご と に 異 な る こ と を 示 し た . ま た , こ の 情 報 を も と に , PSUの ベ ー ス プ ロ セ ッ サ の パ イ プ ラ イ ン 段 数 を 24段 に 設 定 し ,PSU適 用 時 に さ ま ざ ま な ア プ リ ケ ー シ ョ ンで最適構成が設定できるような構成方式を提示した. 2. シ グ ニ チ ャ 方 式 と 履 歴 表 を 組 み 合 わ せ た ス テ ー ジ 統 合 の 制 御 方 法 の 提 案 と 評 価 個 々 の プ ロ グ ラ ム 内 の 局 面 (フ ェ ー ズ )に よ っ て プ ロ セ ッ サ の 実 行 状 態 は 変 化 す る . そ の た め , フ ェ ー ズ に 応 じ て 動 的 に PSUを 適 用 す る こ と に よ っ て 電 力 性 能 比 を 向 上させる必要がある.先行研究で提案されているシグニチャ方式に新たに履歴表を 組 み 合 わ せ る 方 式 を 提 案 し , PSUの 動 的 な 適 用 に よ り , 平 均 11.4%の 電 力 性 能 比 の 向 上を達成した. 3. 細 粒 度 , 低 ハ ー ド ウ ェ ア コ ス ト の ス テ ー ジ 統 合 方 法 の 提 案 と 評 価 先 に 述 べ た PSU動 的 適 用 手 法 の 欠 点 は ハ ー ド ウ ェ ア コ ス ト が 大 き く な る 点 で あ る . IPCな ど 容 易 に 得 ら れ る ス ル ー プ ッ ト の 統 計 情 報 に 基 づ き , よ り 細 か い 間 隔 で PSUを 制 御 す る 方 式 を 提 案 し , 実 装 コ ス ト は 先 の 方 法 の 14%と な り , ま た , ベ ー ス プ ロ セ ッ サ よ り 平 均 13.6%電 力 性 能 比 を 向 上 で き る こ と を 示 し た . 4. ALU カ ス ケ ー デ ィ ン グ を 生 か す 命 令 ス ケ ジ ュ ー ラ の 提 案 と そ の 省 電 力 化 へ の 評 価 ALU カ ス ケ ー デ ィ ン グ を PSUに 適 用 す る こ と に よ り さ ら に 電 力 性 能 比 が 向 上 す る こ とが期待できる.このため,通常の命令スケジューリングに加え,このためのスケ ジューリングを行える命令スケジューラの方式について提案を行った.提案した命 令 ス ケ ジ ュ ー ラ に よ り , SPECint2000と Mediabenchの プ ロ グ ラ ム を 実 行 さ せ た と こ ろ , 平 均 3.7%と 6.4%性 能 の 向 上 が 達 成 す る こ と が で き た . こ の 性 能 向 上 率 は 先 行 研 究 の 結 果 よ り も 性 能 が 高 く , PSUの 電 力 性 能 比 を さ ら に 向 上 さ せ る こ と が で き た . 以上本論文は,将来のプロセッサにおいて,電力性能比の向上するための諸手法 の提案と評価を行ったものであり,学術上,実際上寄与するところが少なくない. よって,本論文は博士(情報学)の学位論文として価値あるものと認める.また, 平 成 21年 2月 16日 実 施 し た 論 文 内 容 と そ れ に 関 連 し た 試 問 の 結 果 合 格 と 認 め た ..

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