A novel access pattern-based multi-core memory architecture

Abstract

Increasingly High-Performance Computing (HPC) applications run on heterogeneous multi-core platforms. The basic reason of the growing popularity of these architectures is their low power consumption, and high throughput oriented nature. However, this throughput imposes a requirement on the data to be supplied in a high throughput manner for the multi-core system. This results in the necessity of an efficient management of on-chip and off-chip memory data transfers, which is a significant challenge. Complex regular and irregular memory data transfer patterns are becoming widely dominant for a range of application domains including the scientific, image and signal processing. Data accesses can be arranged in independent patterns that an efficient memory management can exploit. The software based approaches using general purpose caches and on-chip memories are beneficial to some extent. However, the task of efficient data management for the throughput oriented devices could be improved by providing hardware mechanisms that exploit the knowledge of access patterns in memory management and scheduling of accesses for a heterogeneous multi-core architecture. The focus of this thesis is to present architectural explorations for a novel access pattern-based multi-core memory architecture. In general, the thesis covers four main aspects of memory system in this research. These aspects can be categorized as: i) Uni-core Memory System for Regular Data Pattern. ii) Multi-core Memory System for Regular Data Pattern. iii) Uni-core Memory System for Irregular Data Pattern. and iv) Multi-core Memory System for Irregular Data Pattern.

Les aplicacions de computació d'alt rendiment (HPC) s'executen cada vegada més en plataformes heterogènies de múltiples nuclis. El motiu bàsic de la creixent popularitat d'aquestes arquitectures és el seu baix consum i la seva natura orientada a alt throughput. No obstant, aquest thoughput imposa el requeriment de que les dades es proporcionin al sistema també amb alt throughput. Això resulta en la necessitat de gestionar eficientment les trasferències de memòria (dins i fora del chip), un repte significatiu. Els patrons de transferències de memòria regulars però complexos així com els irregulars són cada vegada més dominants per a diversos dominis d'aplicacions, incloent el científic i el processat d'imagte i senyals. Aquests accessos a dades poden ser organitzats en patrons independents que un gestor de memòria eficient pot explotar. Els mètodes basats en programari emprant memòries cau de propòsit general i memòries al chip són beneficioses fins a cert punt. No obstant, la tasca de gestionar eficientment les transferències de dades per a dispositius orientats a throughput pot ser millorada oferint mecanismes hardware que explotin el coneixement dels patrons d'accés de les aplicacions, així com la planificació dels accessos a una arquitectura de múltiples nuclis. Aquesta tesis està enfocada a explorar una arquitectura de memòria novedosa per a processadors de múltiples nuclis, basada en els patrons d'accés. En general, la recerca de la tesis cobreix quatres aspectes principals del sistema de memòria. Aquests aspectes són: i) sistema de memòria per a un únic nucli amb patrons regulars, ii) sistema de memòria per a múltiples nuclis amb patrons regulars, iii) sistema de memòria per a un únic nucli amb patrons irregulars, iv) sistema de memòria per a múltiples nuclis amb patrons irregulars.