Recursos anchos: una técnica de bajo coste para explotar paralelismo agresivo en códigos numéricos

Abstract

Els bucles son la part que més temps consumeix en les aplicacions numèriques. El rendiment dels bucles està limitat tant pels recursos oferts per l'arquitectura com per les recurrències del bucle en la computació. <br/>Per executar més operacions per cicle, els processadors actuals es dissenyen amb graus creixents de replicació de recursos (tècnica de replicació) para ports de memòria i unitats funcionals. En canvi, el gran cost en termes d'àrea i temps de cicle d'aquesta tècnica limita tenir alts graus de replicació: alts valors en temps de cicle contraresten els guanys deguts al decrement en el nombre de cicles, mentre que alts valors en l'àrea requerida poden portar a configuracions impossibles d'implementar. Una alternativa a la replicació de recursos, és fer los més amples (tècnica que anomenem "widening"), i que ha estat usada en alguns dissenys recents. Amb aquesta tècnica, l'amplitud dels recursos s'amplia, fent una mateixa operació sobre múltiples dades. <br/>Per altra banda, alguns microprocessadors escalars de propòsit general han estat implementats amb unitats de coma flotants que implementen la instrucció sumar i multiplicar unificada (tècnica de fusió), el que redueix la latència de la operació combinada, tanmateix com el nombre de recursos utilitzats. <br/>A aquest treball s'avaluen un ampli conjunt d'alternatives de disseny de processadors VLIW que combinen les tres tècniques. S'efectua una projecció tecnològica de les noves generacions de processadors per predir les possibles alternatives implementables. Com a conclusió, demostrem que tenint en compte el cost, combinar certs graus de replicació i "widening" als recursos hardware és més efectiu que aplicar únicament replicació. Així mateix, confirmem que fer servir unitats que fusionen multiplicació i suma pot tenir un impacte molt significatiu en l'increment de rendiment en futures arquitectures de processadors a un cost molt raonable.

Loops are the main time-consuming part of numerical applications. The performance of the loops is limited either by the resources offered by the architecture or by recurrences in the computation. To execute more operations per cycle, current processors are designed with growing degrees of resource replication (replication technique) for memory ports and functional units. However, the high cost in terms of area and cycle time of this technique precludes the use of high degrees of replication. High values for the cycle time may clearly offset any gain in terms of number of execution cycles. High values for the area may lead to an unimplementable configuration. An alternative to resource replication is resource widening (widening technique), which has also been used in some recent designs in which the width of the resources is increased (i.e., a single operation is performed over multiple data). Moreover, several general-purpose superscalar microprocessors have been implemented with multiply-add fused floating point units (fusion technique), which reduces the latency of the combined operation and the number of resources used. On this thesis, we evaluate a broad set of VLIW processor design alternatives that combine the three techniques. We perform a technological projection for the next processor generations in order to foresee the possible implementable alternatives. From this study, we conclude that if the cost is taken into account, combining certain degrees of replication and widening in the hardware resources is more effective than applying only replication. Also, we confirm that multiply-add fused units will have a significant impact in raising the performance of future processor architectures with a reasonable increase in cost.