Multicore architecture prototyping on reconfigurable devices

Abstract

In the the last decades several performance walls were hit. The memory wall and the power wall are limiting the performance scaling of digital microprocessors. Homogeneous multicores rely on thread-level parallelism, which is challenging to exploit. New heterogeneous architectures promise higher performance per watt rates, but software simulators have limited capacity to research them. In this thesis we investigate the advantages of Field-Programmable Gate Array devices (FPGA) for multicore research. We developed three prototypes, implementing up to 24 cores in a single FPGA, showing their superior performance and precision compared to software simulators. Moreover, our prototypes perform full-system emulation and are totally modifiable. We use our prototypes to implement novel architectural extensions such as Transactional Memory (TM). This use case allowed us to research different needs that computer architects may have, and how to implement them on FPGAs. We developed several techniques to offer profiling, debugging and verification techniques in each stage of the design process. These solutions may bridge the gap between FPGA-based hardware design and computer architects. In particular, we place a special stress on non-obtrusive techniques, so that the precision of the emulation is not affected. Based on the current trends and the sustained growth in the high-level synthesis community, we expect FPGAs to become an integral part of computer architecture design in the next years.

En les darreres dècades s'ha xocat amb diversos "murs" de rendiment. El mur de la memòria i el mur de la potència estan limitant l'escalat del rendiment dels microprocessadors digitals. Els multiprocessadors homogenis depenen del paral·lelisme a nivell de fil d'execució, el qual és difícil de rendibilitzar. Les noves arquitectures heterogènies prometen més rendiment per watt, però els simuladors de software tenen una capacitat limitada per investigar-les. En aquesta tesi investiguem els avantatges de les Field-Programmable Gate Arrays (FPGA, o matrius de portes programables in situ) per a investigació sobre multiprocessadors. Hem desenvolupat tres prototipus que implementen fins a 24 nuclis en una sola FPGA, mostrant els seus rendiment i precisió superiors als dels simuladors de software. A més, els nostres prototipus realitzen emulació del sistema complet i són completament modificables. Hem utilitzat els nostres prototipus per implementar noves extensions arquitectòniques com la Transactional Memory (TM, o memòria transaccional). Aquest cas d'ús ens ha permès investigar les necessitats que els arquitectes de computadors poden tenir, i com implementar-les en una FPGA. Hem desenvolupat diverses tècniques que ofereixen traces, depuració i verificació en cada etapa del procés de disseny. Aquestes solucions poden reduir l'escletxa entre els simuladors basats en FPGA i els arquitectes de computadors. En concret, hem posar especial èmfasi en tècniques que no interfereixin amb l'execució, per tal que la precisió de la simulació no es vegi afectada. A partir de les tendències actuals i l'augment sostingut de la comunitat de síntesis d'alt nivell, preveiem que les FPGA esdevindran una part integral del disseny d'arquitectures de computadors en els propers anys.