FTPA: 一種具有可配置核的靈活多核處理器結(jié)構(gòu)（一）

提出一個(gè)靈活多核處理器結(jié)構(gòu)： FTPA.首先，通過將單個(gè)超塊獨(dú)立映射到單個(gè)物理核，F(xiàn)TPA 有效減少了超塊執(zhí)行時(shí)指令間通信開銷。其次，通過將物理核資源劃分為需要頻繁調(diào)整的計(jì)算資源和不經(jīng)常重構(gòu)的共享資源分別管理，F(xiàn)TPA 有效降低了邏輯核的重構(gòu)開銷。最后，通過將計(jì)算資源在邏輯上組織成環(huán)形拓?fù)?，F(xiàn)TPA 實(shí)現(xiàn)了邏輯核的任意粒度調(diào)整，提供高度的靈活性。運(yùn)行SPEC2K 測試程序的結(jié)果顯示，F(xiàn)TPA 比已有的靈活多核結(jié)構(gòu)TFlex 性能平均提升19. 2% .

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，處理器設(shè)計(jì)進(jìn)入多核時(shí)代。在多核平臺上，單線程程序加速仍是一個(gè)關(guān)鍵問題，同時(shí)也面臨著巨大挑戰(zhàn)： 一方面，程序的映射需要在并行性和通信開銷之間做出權(quán)衡，因?yàn)椴⑿袌?zhí)行在帶來并行潛力的同時(shí)，也伴隨著通信開銷的增加； 另一方面，由于應(yīng)用的多樣性，程序之間以及程序內(nèi)部的不同執(zhí)行階段，并行性也存在巨大差異。因此，如何根據(jù)程序運(yùn)行時(shí)的并行特征適當(dāng)?shù)胤峙湫酒Y源、提高資源利用率，對于提高多核系統(tǒng)整體性能和降低功耗都有重要意義。

當(dāng)前商業(yè)通用多核處理器主要基于傳統(tǒng)的單處理器核來構(gòu)建，這種粗粒度的設(shè)計(jì)方案適合開發(fā)單個(gè)核上的指令級并行性和多個(gè)核上的線程級并行性，但并不能很好地解決多核平臺上單線程程序并行執(zhí)行問題。近年來學(xué)術(shù)界提出的處理器核可配置的靈活多核處理器方案為多核結(jié)構(gòu)發(fā)展提供了一種嶄新的思路： 靈活多核處理器通常由很多同構(gòu)的、性能較弱的小處理器核（ 稱為物理核） 構(gòu)成； 在執(zhí)行程序時(shí)，多個(gè)物理核可以根據(jù)程序當(dāng)前的并行性特征，動態(tài)地組合成單個(gè)更大粒度的邏輯核。由于邏輯核可以集成多個(gè)物理核的指令窗口、發(fā)射寬度以及物理核內(nèi)的高速緩存等資源，因此具有巨大的并行性開發(fā)潛力。此外，在執(zhí)行過程中，這種2 級的組織方式，允許運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)根據(jù)不同應(yīng)用，或者同一應(yīng)用內(nèi)部不同執(zhí)行階段的并行性差異，動態(tài)增減邏輯核內(nèi)物理核的數(shù)量，從而在滿足應(yīng)用并行性需求的同時(shí)，最大限度的提高資源利用率。

然而，現(xiàn)有的靈活多核處理器結(jié)構(gòu)方案仍存在很多問題： Core Fusion, Federation,Voltron和WiDGET目前只支持靜態(tài)的、編譯器指導(dǎo)的邏輯核配置。TFlex雖然支持動態(tài)的邏輯核粒度調(diào)整，但是由于邏輯核內(nèi)分布式共享物理核的所有資源，導(dǎo)致邏輯核重配置的開銷巨大，不適合實(shí)時(shí)的細(xì)粒度的動態(tài)資源調(diào)整； 同時(shí)，TFlex 上單線程程序在多個(gè)物理核上激進(jìn)的分布式執(zhí)行，也造成顯著的指令間通信和寄存器文件訪問開銷，限制了其邏輯核性能的可擴(kuò)展性。

針對目前靈活多核結(jié)構(gòu)存在的上述高通信開銷、高邏輯核重構(gòu)開銷和低靈活性問題，本文提出一種新的靈活多核處理器結(jié)構(gòu)FTPA （ flexibletiled processor architecture） . FTPA 采用顯式數(shù)據(jù)流圖執(zhí)行（ EDGE） 指令集，將程序編譯成超塊（ Hyperblock），并以超塊為基本單元進(jìn)行推測執(zhí)行。 從程序執(zhí)行角度看，F(xiàn)TPA 可以根據(jù)程序的階段并行性特征，改變超塊級推測執(zhí)行的深度，從而保證程序的高效執(zhí)行。 從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度看，在邏輯核層次，F(xiàn)TPA 將易擴(kuò)展的計(jì)算資源（ 如ALU）和相對固定的共享資源（ 如一級Cache） 進(jìn)行邏輯上的分離，并將計(jì)算資源組織成環(huán)形的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)了邏輯核任意粒度的增減，提供高度的靈活性。 在物理核層次，首先，F(xiàn)TPA 通過將超塊和物理核一一對應(yīng)映射，有效降低了超塊執(zhí)行時(shí)指令間通信和寄存器文件訪問開銷； 其次，根據(jù)對超塊并行性特征的分析，F(xiàn)TPA 選擇4 發(fā)射的物理核設(shè)計(jì)，保證對超塊內(nèi)指令級并行性的高效開發(fā)；最后，F(xiàn)TPA 將物理核內(nèi)指令窗口進(jìn)行分體，與4套執(zhí)行部件相對應(yīng)，從而降低了指令選擇發(fā)射邏輯復(fù)雜度。實(shí)驗(yàn)評估表明，F(xiàn)TPA 在具備高靈活性的同時(shí)，比已有的靈活多核結(jié)構(gòu)TFlex 性能平均提升19.2% .