本文選題：節(jié)能 + 緩存��； 參考：《浙江大學》2013年博士論文

【摘要】：半導體技術的進步和應用對計算能力的需求推動著計算機體系結構的發(fā)展。計算機系統(tǒng)計算的數(shù)據(jù)和指令皆來自于存儲系統(tǒng),存儲系統(tǒng)在計算性能中扮演了極其重要的角色。作為對不斷提升的計算能力的配合和支持,現(xiàn)有的存儲層次系統(tǒng),無論是片上緩存還是片外內(nèi)存,其組織結構變得越來越復雜,其容量也變得越來越大。導致的結果是存儲層次系統(tǒng)的能耗在整個計算機系統(tǒng)中所占的份額也越來越大。能耗問題會成為目前計算機系統(tǒng)設計中的關鍵因素。因此如河降低存儲層次的功耗,尤其是片上緩存和片外內(nèi)存的能耗,成為研究者普遍關心的一個重要問題。 目前存儲系統(tǒng)低功耗研究主要焦點在緩存和內(nèi)存,因為兩者能耗在整個存儲層次系統(tǒng)中最顯著。當前的內(nèi)存節(jié)能技術為充分發(fā)揮器件自帶的硬件節(jié)能支持,包括內(nèi)存分塊和低功耗狀態(tài)兩種技術,通過軟硬件結合的技術節(jié)能。另外,新型非易失性存儲器由于其靜態(tài)能耗低、密度大等特點,被考慮作為低功耗存儲系統(tǒng)的實現(xiàn)。例如現(xiàn)有的PCM/DRAM混合內(nèi)存系統(tǒng)就是整合兩種器件優(yōu)點的設計,以及基于STT-RAM的非易失性緩存。上述技術都關注于器件能力的挖掘,而忽視了器件對程序行為的適配,因此不能完美發(fā)揮軟硬件協(xié)同的優(yōu)勢。 本文從程序訪存行為入手,分析了訪存模式的三方面因素：應用程序?qū)?nèi)存塊的訪問行為、應用程序?qū)彺鎵K的寫行為以及應用程序中物理頁的寫行為�；谶@些訪存模式,結合現(xiàn)有的存儲低功耗技術,本文提出了基于程序訪存模式的存儲系統(tǒng)節(jié)能技術,主要從以下三個方面進行了研究： 1、本文通過追蹤程序訪問的物理貞的地址,建立了程序數(shù)據(jù)到內(nèi)存分塊的映射模型；基于該模型,本文抽象出程序執(zhí)行順序?qū)τ趦?nèi)存塊節(jié)能的問題,并且采用網(wǎng)絡流技術對該問題進行解答；進一步考察了多核上來自不同處理器的程序運行對內(nèi)存塊節(jié)能的影響,對該問題進行抽象建模；對于雙核系統(tǒng),本文提出該問題的最優(yōu)算法解；當其中的處理器數(shù)目超過兩個時,該問題屬于NP難問題,本文提出兩個相應的啟發(fā)式算法。 2、本文研究了程序?qū)彺娴膶懺L問,發(fā)現(xiàn)對緩存塊的寫操作具有集中性；基于該模式,本文提出了選擇性的寫前讀機制,對緩存中的臟字數(shù)據(jù)進行追蹤和標示,利用這些標示信息在緩存塊寫回操作時只對緩存塊中的臟區(qū)域觸發(fā)寫前讀操作；對于多級STT-RAM緩存寫能耗更大的特點,本文研究了數(shù)據(jù)在多級STT-RAM緩存本地進行寫更新以及在SRAM中進行寫更新的能耗的差別,提出了伴隨寫緩存結構和對應的機制,將能耗高的寫更新操作遷移到伴隨寫緩存中,從而達到節(jié)能目的。 3、本文研究了程序?qū)ξ锢眄摰膶懺L問,發(fā)現(xiàn)對物理頁的兩種基本寫模式；基于上述寫模式,本文提出了具有可變遷移粒度的自適應數(shù)據(jù)遷移策略,可以識別出當前物理頁的寫模式,并且采用適合當前物理頁的遷移粒度將PCM中的數(shù)據(jù)遷移至DRAM,減小遷移代價的同時,發(fā)揮DRAM寫能耗低的特點；在上述的混合內(nèi)存管理機制下,本文還提出了一種局部刷新的策略,其基本思想是利用遷移模塊中的相關信息,對DRAM中的每個數(shù)據(jù)刷新單元中的數(shù)據(jù)有效性作標示,從而只對其中的有效數(shù)據(jù)進行刷新操作,降低數(shù)據(jù)刷新能耗。 最后,本文基于實際的硬件平臺PandaBoard和全系統(tǒng)模擬器gem5以及其他的工具如SESC和CACTI,采用實際測量和軟件模擬相結合的實驗方法,對上述提出的創(chuàng)新和技術進行了實驗驗證和測試。實驗結果表明本文中提出的機制和結構可以比現(xiàn)有的技術進一步降低緩存和內(nèi)存的寫能耗和靜態(tài)能耗。 本文通過對程序訪存模式,具體包括應用程序?qū)?nèi)存塊的訪問行為、應用程序?qū)彺鎵K的寫行為以及應用程序中物理頁的寫行為的研究,結合現(xiàn)有存儲器件的節(jié)能硬件支持,實現(xiàn)了訪存模式指導下對現(xiàn)有存儲器件節(jié)能潛力的再挖掘,實驗結果證實結合軟件訪存模式的存儲節(jié)能技術有很好的節(jié)能效果。
[Abstract]:The progress and application of semiconductor technology promote the development of computer architecture. The data and instructions of computer systems are derived from the storage system, and the storage system plays an extremely important role in computing performance. As a combination and support for increasing computing power, the existing storage level The system, whether on chip caching or out of chip memory, becomes more and more complex and its capacity becomes larger and larger. The result is that the energy consumption of the storage hierarchy is becoming more and more large in the whole computer system. The energy consumption problem will be the key factor in the design of the current computer system. Reducing the power consumption of storage layer, especially the energy consumption of on-chip cache and off chip memory, has become an important issue that researchers are generally concerned about.
At present, the research of low power consumption in storage system focuses on caching and memory, because the energy consumption is the most significant in the whole storage hierarchy system. The current memory saving technology is to give full play to the hardware energy saving support of the device, including two technologies of memory block and low power consumption, and the technology of combining hardware and software. Non-volatile memory is considered as a low power storage system because of its low energy consumption and high density. For example, the existing PCM/DRAM hybrid memory system is the design of the advantages of the integration of two devices, and the nonvolatile cache based on STT-RAM. The adaptation of program behavior can not give full play to the advantages of software and hardware collaboration.
In this paper, starting with the program visiting behavior, this paper analyzes three factors of the memory visiting mode: the access behavior of the application program to the memory block, the writing behavior of the application program to the cache block and the writing behavior of the physical page in the application. Based on these mode of memory access, combined with the existing storage low power consumption technology, this paper proposes a program based memory mode. The energy saving technology of storage system has been studied from three aspects:
1, by tracing the physical chastity address of the program access, the mapping model of the program data to the memory block is established. Based on this model, this paper abstracts the problem of saving energy of the memory block in the program execution order, and uses the network flow technique to solve the problem. In this paper, the optimal algorithm solution for the problem is proposed in this paper. When the number of processors is more than two, this problem belongs to the NP difficult problem. Two corresponding heuristic algorithms are proposed in this paper.
2, this paper studies the write access to the cache, and finds that the write operation of the cache block is centralized. Based on this mode, this paper proposes a selective pre write reading mechanism to track and mark the dirty word data in the cache, and uses these information to trigger the dirty area in the cache block before writing back to the cache block. Operation; for the higher energy consumption of the multilevel STT-RAM cache, this paper studies the difference in energy consumption between the data in the multi-level STT-RAM cache and the write update in the SRAM, and puts forward the adjoint write cache structure and the corresponding mechanism, and migrates the high energy consumption write update operation to the adjoint write cache to achieve energy saving. Objective.
3, this paper studies the program's write access to physical pages, and finds two basic writing patterns for physical pages. Based on the above write mode, this paper proposes an adaptive data migration strategy with a transition granularity, which can identify the current writing pattern of the physical page, and use the migration granularity of the current physical page to move the data in PCM. At the same time, it is moved to DRAM, reducing the cost of migration and exerting the characteristics of low energy consumption of DRAM. Under the above hybrid memory management mechanism, a local refresh strategy is proposed. The basic idea is to use the related information in the migration module to mark the data validity in each data refresh unit in DRAM, so that only it is used for the data efficiency of each data refresh unit. The effective data is refreshed to reduce the energy consumption of data refresh.
Finally, based on the actual hardware platform PandaBoard and the whole system simulator gem5 and other tools such as SESC and CACTI, the experimental method combined with the actual measurement and software simulation is used to test and test the proposed innovation and technology. The experimental results show that the mechanism and structure proposed in this paper can be compared to the present. Some technologies further reduce the write energy consumption and static energy consumption of cache and memory.
In this paper, through the program access mode, including the access behavior of the application program to the memory block, the writing behavior of the application program to the cache block and the writing behavior of the physical page in the application, and the energy saving hardware support of the existing storage devices, the energy saving potential of the existing memory is realized under the guidance of the memory access mode. The test results confirm that the energy saving technology combined with the software access memory mode has a good energy saving effect.

【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：TP333

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