Design and exploration of 3D MPSoCs with on-chip cache support

Abstract

Avanços na tecnologia de fabricação de semicondutores permitiram implementar um sistema computacional completo em um único chip, em inglês de System-on-Chip (SoC). SoCs integram múltiplos elementos de processamento (PEs), componentes de memória e dispositivos de entrada/saída. Este trabalho emprega o termo inglês Multiprocessor System-on-Chip (MPSoCs) para um SoC que integra múltiplos PEs cooperantes. À medida que o número de PEs aumenta em um MPSoC, torna-se necessário o uso de arquiteturas que proveem escalabilidade e concorrência da comunicação. A rede intrachip, em inglês Network-on-Chip (NoC), que interconecta o sistema através de roteadores distribuídos no chip foi proposta para atender estes requisitos. O sistema de interconexão também deve prover recursos para atender a comunicação entre PEs e módulos de memória. Infelizmente, trabalhos prévios demonstraram que basear toda a comunicação de memória com uma NoC não é adequado para atender os requisitos de latência. Além disso, muitas propostas baseadas em NoC descartam o suporte à programação do tipo memória compartilhada que permanece um requisito básico de aplicações paralelas. A principal contribuição deste trabalho é o projeto e exploração experimental de MPSoCs 3D com suporte a caches intrachip que empregam uma matriz de chaveamento com suporte à coerência de cache para comunicação entre PEs e a hierarquia de memória, e uma NoC para a intercomunicação de PEs, devido à sua eficiência em transmitir pequenos pacotes e sua escalabilidade. Resultados experimentais foram realizados com o simulador Gem5 utilizando o conjunto de instruções da ARM e dois benchmarks: PARSEC e NASA NAS. Os resultados foram organizados em três conjuntos de avaliação: 1. Avaliação da memória principal utilizando memórias emergentes baseadas em tecnologias 3D e duas memórias tradicionais para desktops: Double Data Rate (DDR) e Low Power (LP) DDR. Para a pluralidade das aplicações, memórias emergentes resultaram em um impacto igual ou menor que 10% de acréscimo no tempo de execução provendo significativa redução no consumo de energia, quando comparadas às memórias tipo DDR; 2. Avaliação de caches utilizando cinco arquiteturas de cache e explorando seus efeitos no tempo de execução de aplicações e consumo de energia. Foram exploradas três arquiteturas compartilhadas e duas arquiteturas privadas em caches L2. Para a maioria das aplicações, a tradicional arquitetura compartilhada da L2 mostrou o melhor tempo de execução. Entretanto, para o consumo de energia, as arquiteturas L2 privadas obtiveram os melhores resultados; 3. Avaliação da escalabilidade do sistema proposto. Os experimentos utilizaram vários tamanhos de clusters e aplicações baseadas em troca de mensagens.