计 算 机 学 报 年 ( 引 言 传统单核处理器采用指令级细粒度并行的技术提高性能 借助于超标量和流水处理提高处理器的主频 但是随着主频的提高却使得功耗和散热问题难以依靠现有的技术解决 & 而半导体工艺的发展 使得片上可集成的晶体管数目日益增多 因而体系结构设计者为了在性能进一步提升的同时降低功耗

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1 第 卷 第 期 年 月 计 算 机 学 报! " 众核处理器片上同步机制和评估方法研究 徐卫志 宋风龙 刘志勇 范东睿 余 磊 张 帅 中国科学院计算技术研究所系统结构重点实验室 北京 ) 中国科学院研究生院 北京 ) #$%& $& ' & 摘 要 同步机制是片上多核 众核处理器正确执行和协同通信的关键 其效率对处理器的性能非常重要 & 针对片上众核体系结构 提出并实现了两种粗粒度同步机制和一种细粒度同步机制 即片上专用硬件支持的同步机制 基于原语的片上互斥访问同步机制和基于满空标志位的细粒度同步机制 提出了粗粒度同步机制的评估标准和评估方法 并设计了量化评估程序 & 以片上同构众核处理器 $ 2$ " 模拟器和 3 4 5$ 商业片上多核处理器为平台 评估比较了提出的硬件支持的同步机制与基于原语的同步机制的性能 & 结果表明 硬件支持可以使得片上众核处理器的同步机制性能明显提高 在传统基于原语的同步机制中 大部分性能损失是由于负载不平衡和同步点的串行化操作而造成的等待时间 & 关键词 片上众核处理器 同步 硬件支持 量化评估 微程序中图法分类号 "! 号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收稿日期 & 本课题得到国家自然科学基金重点项目 国家 九七三 重点基础研究发展规划项目基金 ( 国家 八六三 高技术研究发展计划项目基金 ) * 国家杰出青年科学基金 ) ) 国家自然科学基金创新研究群体科学基金 ) 北京市自然科学基金 +)++ 资助 & 徐卫志 男 ) 年生 博士研究生 主要研究方向为高性能计算机体系结构 并行算法等 &,-.%/01...' &-'&' & 宋风龙 男 ) 年生 博士 研究方向包括高性能计算机体系结构 片上存储系统等 & 刘志勇 男 )+ 年生 博士 研究员 博士生导师 主要研究领域为算法 计算机系统结构 并行处理 片上存储系统等 & 范东睿 男 ) ) 年生 博士 副研究员 主要研究方向为低功耗处理器设计 & 余 磊 男 ) 年生 博士研究生 主要研究方向为并行算法优化等 & 张 帅 男 ) 年生 博士研究生 主要研究方向为高性能计算机体系结构 &

2 计 算 机 学 报 年 ( 引 言 传统单核处理器采用指令级细粒度并行的技术提高性能 借助于超标量和流水处理提高处理器的主频 但是随着主频的提高却使得功耗和散热问题难以依靠现有的技术解决 & 而半导体工艺的发展 使得片上可集成的晶体管数目日益增多 因而体系结构设计者为了在性能进一步提升的同时降低功耗和散热 而提出了线程级粗粒度并行的片上多核处理器 + & 片上多核 众核处理器与传统多处理器相比 其优点是片上带宽高 通信距离短 传输速度快 因而多个线程之间的数据通信效率高 同步操作保证多个线程之间的数据传播 使得多个线程对共享内存的写操作等同于串行执行 保证程序执行语义的正确性 & 因而同步操作的性能对片上众核处理器而言非常重要 直接影响了多个线程协同执行的速度 & 在传统多处理器系统中 已有许多针对于同步操作性能的研究 主要可以分为两类 一类是设计更好的软件算法 第二类是为其提供专用的硬件支持等 & 如 5.8. 中采用硬件对锁和 ( 等同步操作进行支持 而许多研究都通过简单的原语实现软件同步操作算法 如文献 & 对于同步操作也有不少针对于不同结构的性能评估 如文献 ) 是针对基于总线的共享存储多处理器 而文献 则针对于有 -' 的系统 用微程序借助于模拟器评估同步操作的性能 & 文献 针对曙光 中的多级互连网络提出了采用树形算法 基于硬件的 ( 加速设计 主要是增强网卡的功能以实现 ( 网络 & 文献 针对多处理器 在 5.8. 上 借助于微程序和! 测试程序包 + 评估多种锁和 ( 等同步机制的性能 其结果表明专用的硬件支持并不能使得传统多处理器系统同步机制的性能有明显改善 & 片上多核 众核处理器与传统多处理器在设计理念上不同 并不是将多个处理器核简单的集成到一个芯片上 & 在简化众核处理器设计复杂度的同时 增大片上的处理能力和吞吐率 需要高效的同步机制与之匹配 & 已有的对同步机制及评估方法的研究均是针对于传统的多处理器 如! 和 ''( 等 & 尽管文献 的结果表明对于传统多处理器系统而言 硬件支持对同步机制的性能提升不明显 但 是其在片上众核结构中的作用仍有待研究 & 文献 针对于众核处理器 :'%$42 + 提出了专用的硬件同步状态缓存器 ( 用于支持细粒度的同步操作 目的是有效利用众核处理器的片上处理能力 & 然而 硬件支持对于片上众核处理器中粗粒度同步机制的性能仍没有相关的研究 & 因而 我们提出并评估了片上众核体系结构中使用专用的片上同步管理单元 : ' 5$. -.$ 硬件支持的粗粒度同步机制以及基于满空标志位 0%,4 :. 的细粒度同步机制 & 目前仍没有对于片上众核处理器同步机制性能的系统评价标准和评估方法 因而本文也提出了相应的量化评估标准和方法 并构造量化评估程序 & 以片上同构众核处理器 $ 2$ " 模拟器和 3 4 5$ 商业片上多核处理器为平台 实现了本文所提出的量化评估程序 从不同角度评估了硬件支持对片上众核结构同步机制的性能提升 并与基于原语的同步机制的性能进行比较 & 结果表明 硬件支持可以使片上众核处理器的同步机制性能明显提高 在传统基于原语的同步机制中 大部分性能损失是由于负载不平衡和同步点的串行化操作而造成的等待时间 & 本文第 节介绍片上多核 众核体系结构及同步原语与实现机制等相关研究工作 第 节提出片上众核结构中专用硬件支持的同步机制和细粒度同步机制及基于原语的同步机制实现方式 第 + 节针对片上众核结构提出片上同步机制的量化评估标准和测试方法 第 节介绍模拟平台以及试验结果分析等 第 节总结本文 并提出进一步的工作 & ) 相关研究 )&( 片上众核体系结构由于存储单元的访问速度并没有与片上处理能力同比增加 因而片上互连网络结构和存储系统组织方式是不同于片上多核 众核处理器的 & 目前片上多核 众核结构主要分为以下 类 & && 舞厅式多核 众核结构可以将舞厅式片上多核 众核结构抽象为图 采用交叉开关作为片上互连结构 所有的处理器核位于交叉开关的一侧 而另一侧则是片上共享的存储结构 如二级 -' 或! 等 & 这种结构的多核 众核处理器有 0 % 5-4-5'"" 处理器和 :'%$42 等 &

3 期 图 舞厅式片上多核 众核体系结构舞厅式结构的优点是在共享存储中数据定位机制简单 访问延迟小 & 但是 随着片上集成处理器核数的增加以及共享存储的容量越来越大 连线延迟也明显增大 舞厅式结构不利于扩展 & 因而研究者提出了片上多核 众核的分片式结构 & && 分片式多核 众核结构分片式片上多核 众核结构由多个片.% 复制而成 见图 构成一个片式阵列 多个片之间使用交换网络连接 & 其中 每个片包含处理器核 私有局部存储 如一级 -' 等 片上共享存储的一部分和片上互连网络的路由器 & 如 " 的 7 处理器 即后来的 ".% 5- 公司 ".% + 与 ".%!5$ 处理器 & 分片式结构的一个优势是采用片上互连网络 有利于芯片规模的扩展 & 图 分片式片上多核 众核结构 && 混和式多核 众核结构分片式结构中每个单元片中的 存储块可以设计为对应的处理器核私有 或所有处理器核在逻辑上共享 & 如果设计为所有处理器核在逻辑上共享的 -' 则增大了内存控制器的设计复杂度 并增大了 -' 到内存控制器的连线延迟 & 如果将每个 存储块作为每个处理器核私有的 则降低了片上存储的有效容量 进而增大了访问片外内存的次数 而降低系统的效率 & 有许多研究者基于私有 存储块的前提下 研究数据在多个存储块之间的 ) 复制和移动等问题 但是这样却增加了在 -' 中查找定位数目的复杂度 而增加了延迟 & 因此 我们提出了一种融合舞厅式结构和分片式结构的片上众核处理器结构 并根据此结构设计 徐卫志等 众核处理器片上同步机制和评估方法研究 ) 了片上同构众核处理器模拟器 $ 2$ " 逻辑结构如图 所示 & 采用 3 2 作为片上交换网络 但是网络的结点只包含处理器核和私有存储 可以按不同粒度配置为一级 -' 和! 即 '5- '!-,$5:& 并不将共享二级 -' 的存储块集成到每个单元片中 而是分散到互连网络的四周 同一侧的存储块通过交叉开关与片上内存控制器互连 & 图 $ 2$ " 混和式片上多核 众核体系结构这种结构的优点是具有良好的可扩展性 而且私有存储保证了数据的低访问延迟 并且逻辑上共享的存储二级 -' 减少了共享数据在片上存储中的多个备份 增加了容量的有效使用率 减少了访问片外内存的次数 有效降低了访存延迟 & 其存储结构和片上互连网络的有效性评估超出本文范围 见文献 & 本文以下的研究均是基于此结构 & )&) 同步机制研究 && 同步原语同步机制一般能够实现 读 修改 写回 的同步原语 如 "!6 和 等同步指令 其中前 种是常见的同步原语 & $-. 和 $5 ($..$ -% 是一对相关联的指令 用于实现可缓存在 -' 中的内存地址的原子操作 & 语义是 指令将一个内存地址的数据取到寄存器中 随后 可以执行一系列不包含存储操作的任意指令 最后 使用 指令对与上一个 指令相同的内存地址进行写操作 & 只有当 指令执行后 所有其它处理器都没有对该地址进行写操作的情况下 指令才会执行成功 & 因此 执行成功则表明对某个地址成功执行了一次 读 修改 写回 原子操作 & 如果 执行失败 则

4 计 算 机 学 报 年 整个操作必须重新执行 & 指令的优点是所有处理器都在私有 -' 中自旋 而不必每次都到共享的存储结构中 因而不会对网络造成压力 & 其缺点是 需要 -' 一致性的维护 即当一个处理器执行 指令时 需要至所有自旋等待的处理器私有 -' 中的变量都无效 造成大量的无效操作 & && 同步机制 粗粒度同步机制互斥访问和 ( 是两种常用的粗粒度同步机制 & 锁同步机制提供了共享数据的互斥访问 原子访问 方式 & 锁之间的代码称为临界区 而锁机制则保证了临界区内对共享资源的整体性操作 & 但是锁机制并不能保证线程执行临界区的先后顺序 & 而 ( 同步机制 则保证所有线程都执行到同步点后 才能继续执行 & 各种互斥访问同步机制的不同主要在于 点 即处理开销 存储开销和对网络造成的影响 & 实现锁的方法主要有简单自旋锁 排队自旋锁 & 其中 简单自旋锁实质上用一个二值逻辑的整数表示 & 需要加锁的处理器检测锁变量是否可用 如果可用 将其状态转换为不可用 如图 +- 所示 & 这种无序竞争导致每个处理器抢到锁的概率是随机的 无法保证某个处理器何时能获得锁 因而是一种不公平的锁机制 & 随着处理器个数的不断增长 这种 不公平 问题将会日益严重 & 而排队自旋锁是通过保存处理器申请锁的顺序信息解决 不公平 问题 & 如基于令牌.' 的锁 如图 + 所示 使用两个全局的计数器! 和 当某个处理器加锁时 将! 增 作为自己的令牌值 表明该处理器在等待队列中的位置 某个处理器释放锁时 将 增 作为下一个可以获得锁变量的令牌值 ) 其优点是只有某个处理器的令牌值与 的值相同时 才会在锁变量被释放时重新申请加锁 ) 其缺点是每次释放锁并修改 的值时 会对所有等待的处理器执行一致性操作 至缓存的 值无效 重新读取更新后的 值 由于竞争而造成延迟 ) 另一种 公平 锁为 锁 使用分布式链表维护等待队列 每个等待的处理器自旋在该链表的一个独立节点上 如图 +' 所示 & 其优点是释放锁的处理器可以只唤醒等待在队列头的那个处理器 从而避免了令牌式锁释放时的无效操作 其缺点是空间开销和等待的处理器数目成正比 & 图 + 锁机制的实现方式在有 -' 的多处理器中 ( 同步机制有集中式与锦标赛式两种较为经典的实现方式 & 其中 集中式 ( 如图 - 所示 & 每个处理器都改变同一个全局计数器的值 然后自旋在某个标志上 等待所有的处理器都到达 ( 后 最后一个到达的处理器设置此标志 以此通知所有的其它处理器 & 其缺点是对全局计数器的访问被串行化 & 而锦标赛式的 ( 使用二叉树 如图 所示 避免在全局计数器上的操作被串行化 & 每个处理器都从一个叶子节点开始 在每个节点 当该节点所有子节点的处理器都到达后 某个子节点的处理器沿树往上移动到其父节点 因此 当所有的处理器都到达 ( 后 会有一个处理器到达树的根节点 此时 ( 完成的消息沿树传播 & 其优点是将计数器分散到二叉树中 处理器自旋在不同的位置 避免了集中式 ( 中热点的全局计数器竞争 & 图 ( 同步机制的经典实现方式

5 期 细粒度同步机制在细粒度同步机制的研究中 基于 0%,4 : 位的同步机制已在 " 5- 机器中出现 &0%,4 : 位标记内存单元中的数据是否已经符合进一步处理的条件 即值为 表示数据可用 0% 而值为 则表示数据不可用,4 :& 这样在访问内存时 实现了轻量级的线程同步 & 文献 首先分析向量计算在! 平台上易于实现细粒度并行的原因 进而提出了一种新的 ( % 5 同步方法 该方法可以实现比传统的软件方法更细粒度的程序并行 & 文献 提出了使用同步状态缓存来实现同步 & && 同步机制评估方法从线程的角度来看 每个同步操作可以分为两个阶段 等待阶段 & 各个线程等待其它线程到达同步点 开销阶段 & 所有线程到达同步点后 执行必要的通信等操作 & 同步机制的区别之处主要在于第 个阶段 即开销阶段 & 文献 ) 针对传统多处理器 构造了测试同步操作绝对开销的微程序 它是一种不公平的测试机制 & 而文献 则为了满足公平性 在同步操作前后加入延迟 其缺点是在临界区内采用固定的延迟 而在临界区外采用随机延迟 因而释放锁时正在等待的处理器的数目是不确定的 & 文献 对 ''( 机器的同步机制进行了全面的测试 并提出了系统的测试方法 分别测试了无序竞争时锁操作的开销 有确定数目的线程竞争时锁操作开销 任意负载情况下的 ( 开销 负载不平衡时的 ( 开销以及锁操作和 ( 操作对网络造成的影响 & * 片上众核处理器的同步机制 本节基于片上众核处理器 $ 2$ " 介绍众核结构中的片上同步机制 & 首先 介绍我们提出的基于硬件支持的粗粒度同步机制 然后 介绍基于原语的传统粗粒度同步机制在众核结构中的实现 最后 介绍我们提出的基于满空标志位的细粒度同步机制 & *&( 硬件支持的同步机制在片上众核处理器 $ 2$ " 中引入专用的硬 件同步管理单元 : ' 5$. -.$ 如图 右下角所示 & 同步管理单元 是一个有 项的表 每项记录一个同步请求实例 每项结构如图 所示 & 其中 $5 3 用于标识发出同步操作的处理器核 3 - 表示该项表示的同步操作的状态 : ' 3 用 徐卫志等 众核处理器片上同步机制和评估方法研究 于标识同步操作 而 (-5 $0 只用于 ( 同步中 用于记录还有多少同步请求没有达到 / 是一个指向等待该同步变量的下一个线程的指针 & 图 同步管理单元结构同步管理单元将互斥访问同步操作组织为 队列 & 当某个处理器核发出同步请求时 通过片上互连网络将 $' 请求发送到 接收到请求后 为其分配表项 & 若某个处理器核请求的锁变量处于被占用状态 则将其放置到该锁变量的等待队列中 由 维护 & 当某个处理器核释放锁时 发送 %$' 请求至 由 在该锁变量的等待队列中按顺序唤醒一个处理器核执行 & 其优点是申请不到锁的处理器核 线程 排队在 处等候 而不是自旋在自身 因而避免了使用原语等传统同步机制实现中造成的网络负载 进而降低了片上网络拥塞的可能性 & 同样 同步管理单元也实现了对 ( 同步机制的硬件支持 & 对于发出 ( 同步请求的处理器核 为其分配表项 & 若某个 ( 的 3 已经存在于 中 则将新到的请求连接到该 ( 变量的等待队列中 当所有处理器核都到达了 ( 时 按照距离由远到近的顺序发送确认 从而有助于减少由于负载不均衡而造成的开销 & 在下文的评估中 将硬件支持的同步机制简记为 -2 : ' 5$. -.$ & *&) 基于原语的同步为了评估众核处理器中硬件支持同步操作的性能 在 $ 2$ " 中也基于原语 实现了粗粒度同步 无专用硬件支持 & 基于 原语的锁是一种基于令牌原理的同步机制 如图 + 所示 在片上共享的二级 -' 中提供操作支持 并且申请过程有 -' $; 机制支持 & 当某个处理器核申请锁时 发出 指令 其操作数是内存地址 该地址不会被缓存在处理器核私有的一级数据 -' 中 而是缓存在二级 -' 中 & 指令发送到二级 -' 后 取回该处理器核的令牌值! 与当前按某顺序下一个处理的令牌值 ) 若 的值等于! 的值 则该处理器核成功获取锁 否则 等待一段特定的时间重新发送 指

6 计 算 机 学 报 年 令申请锁 如此重复 直至该处理器核成功获取锁 & 当某个处理器核释放锁时 发送 指令至二级 -' 将当前可以处理器的令牌值 增 & 在下文的评估中 将基于原语的同步机制记为 -2 : ' 5$. -.$ & *&* 细粒度同步我们所提出的基于 0%,4 : 位的细粒度同步方法与以往方法的不同在于在片上私有! '5- '!-,$5: 上实现了 0%,4 : 位 而以往的方法大都在片外内存实现 & 其显著优点是提高了片上同步的效率 同时避免了片上 -' 层次设计的复杂性 & 另外 我们也避免了传统实现机制中 0%,4 : 位自身的存储空间开销 & 由于处理器核内部的私有存储可以配置为一级数据 -' 或! 当我们将其中的一部分用作! 时 可以用 -' 的写掩码域或者 -8 域作为 0%,4 : 位的存储空间 & 我们对处理器核的! 设置 0%,4 : 位 这样就可以在数据本身维护生产者与消费者的关系 & 生产者和消费者同步时 分为两种情况 一种是生产者已经计算完成 则把需要的数据返回给消费者 另一种是生产者还没有计算完成 这时需要把这个访问请求放入一个队列 同时消费者处理器核也被阻塞 & 等到下一拍再检测生产者是否完成 若完成 则返回消费者需要的值 若没有完成 则重复上述过程 & 我们引入了 2: ' 和 ;0 05 指令用于配合有 0%,4 : 位的内存地址使用 & 其中 2: ' 和 ;0 05 的含义如表 所示 代表 0%,4 : 位 & 图 是 0%,4 : 位的状态转换图 圆圈中的 和 表示 0%,4 : 位的值 箭头表示状态的变化方向 箭头上面的指令为状态变化触发条件 & 指令 $- &2: ' $5 &2: ' $- &;0 05 $5 &;0 05 表 ( 和 $!!# 的含义含义 时读取值 并使 时存入值 并使 时读取值 但不改变 当 时存入值 但不改变 图 0%,4 : 的状态机 可以使用这两种基本的同步指令构造多种不同的同步模式 & 如可以使用 2: ' 和 ;0 05 两种不同的操作分别来维护单生产者单消费者 单生产者多消费者之间的依赖关系 & 首先 生产者完成计算后 使用 2 $5 &2: ' 指令把 0%,4 : 位置为 然后 消费者使用 %$- &;0 05 指令去读数据 &%$- &;0 05 当 0%,4 : 位为 时 返回数据 当 0%,4 : 位为 时 则阻塞消费者处理器核 & 同时 %$- 请求一直在生产者队列中等待 0%,4 : 位被置为 & 如果被置为 则成功返回数据 & 这样就使用 0%,4 : 位维护了一个生产者多个消费者之间的依赖关系 & + 量化评估标准与方法 本节针对片上众核体系结构 提出互斥访问与 ( 两种同步机制的评估标准 并说明量化评估程序的构造原理 & +&( 互斥同步评估标准与方法从众多同步机制的原理和实现方式来看 对于支持多线程并行执行的片上众核处理器而言 其片上线程之间的互斥访问同步机制的开销主要由以下几部分组成 同步操作的绝对执行时间 同步操作对网络造成的影响 即对其它普通操作所增加的开销 前一个线程释放锁到后一个线程成功获取锁的转换时间 & 下面分别介绍评估上述指标的微程序的功能和构造方法 & 绝对开销评估每对加锁和释放锁操作的绝对时间 & 每个处理器核执行固定次数的加锁和释放锁操作 并且在临界区内外没有其它操作 即不考虑申请锁的多个处理器核之间是否存在竞争锁的情况 & 从第一个处理器核申请锁时开始统计执行时间 直至最后一个处理器核执行完毕释放锁止 则每对锁操作的平均绝对开销如下计算 *"+ ' '$ %$ $$" "$ ), - "+ "+ 在不同处理器核间的转换传递开销每个处理器核仍执行固定数目的锁操作 但是在临界区内外均使用固定的延迟 & 确定延迟的原则是 临界区外的延迟. 保证某一个等待加锁的线程已经成功加锁并进入临界区 而临界区内的延迟. $ 保证前一个刚刚释放锁的线程已经发出下一个申请锁的操作之后 该线程再退出临界区 & 即当有

7 期 * 个线程时 保证每次某个处理器申请锁时共有 * 个线程在竞争锁 & 因为每个线程执行固定次数的锁操作 对应有相同数目的临界区 因而两个临界区之间的延迟. 并不在多线程程序执行的关键路径上 因而只有临界区内的延迟在关键路径上 & 则当有 * 个线程在等待时 一个线程释放锁后到下一个线程成功获得锁之间的时间延迟如下计算 '# /0" $'$ *', "+ "+.$) 对网络造成的影响通过消息在片上网络传输时间的变化反映多个处理器核竞争锁的操作对片上网络造成的压力 ) 在保证有多个线程竞争锁的前提下 在每个处理器核执行的线程的临界区内对未缓存在 -' 中的内存地址进行读操作 & 对于分体交叉的多存储体 -' 而言 需要注意的是 要将临界区内的多个读操作分布在不同的存储体中 避免因为存储体的物理位置与执行线程的处理器核之间的距离而造成影响 ) 记录每个线程在临界区内的时间 则当有 * 个处理器核竞争锁时 每个读操作的开销可以如下计算 *1 ' '$ %$ $$" "$, - "+ "+<, - 1 ) 读操作的平均开销与锁操作对片上网络造成的压力成正比关系 ) +,)- # 同步评估标准与方法对于支持多线程并行执行的片上众核处理器而言 其片上线程之间的 ( 同步机制的开销中 除了互斥访问中的前两个评估标准外 有另外一个需要评估的标准 即多个同时执行的线程负载不平衡的情况下 ( 同步的开销 & 下面分别介绍评估上述指标的微程序的功能和构造方法 & 绝对开销所有处理器核的线程都执行固定数目的 ( 操作 ( 前后都无其它操作 & 从第一个线程开始执行时统计执行时间 直至最后一个线程执行完 ( 止 则每个 ( 操作的平均绝对开销如下计算 * $ ' $/0" $'$ ), - $ 负载不平衡造成的开销每个 ( 可以分为两个阶段 所有处理 徐卫志等 众核处理器片上同步机制和评估方法研究 器核到达 ( 的阶段 当最后一个处理器核到达 ( 后 所有处理器核离开 ( 的阶段 & 负载不平衡的程序会掩藏第 个阶段的开销 因此这个程序衡量的是第 个阶段的开销 & 在 ( 之间加入延迟 模拟负载不平衡的情况 & 方法是不同的线程使用不同的延迟 如在一个线程 $ 中使用较大的延迟. 在所有其它线程中使用较小的延迟. 确保第 $ 个线程最后一个到达 (-55. 5& 其中 只有延迟. 在关键路径上 如下计算每个 ( 的开销 * $ ' $/0" $'$. ), - $ 对网络造成的影响与锁的评估一样 使用读操作的开销反映 ( 同步对网络造成的影响 ) 方法是线程 $ 不参与 ( 而是对没有缓存在 -' 中的地址进行读操作 所有其它的线程都不断执行 ( 操作 直到第 $ 个线程执行完读操作后 通知其它线程 结束 ( 操作 ) 从第 $ 个线程开始执行读操作起统计执行时间 至最后一个读操作执行结束时止 则每个读操作的开销可以如下计算 *1 ' '#$/0" $'$ ), - 1. 模拟评估 文献 评估发现 对于传统多处理器 如 ''( 对同步机制提供专用的硬件支持并不能带来性能的明显提升 & 本节以 $ 2$ " 众核处理器与 3 4 5$ 商业片上双核处理器为平台 使用第 + 节构造的微程序评估互斥访问和 ( 两种同步机制 & 进而 以性能评估为基础 探讨在众核结构中对同步机制提供专用硬件支持的必要性 &.&( 模拟平台在 3 4 5$ 片上双核处理器中 基于 4" 5 - 多线程模型实现自旋锁与 ( 两种同步机制 而在 $ 2$ " 上使用类似于 4" 5 - 的 8" 5 - 专用编程接口创建测试线程 & $ 2$ " 片上同构众核模拟器逻辑结构如图 所示 片上互连结构使用的是 < 的 3, 2 集成在片内的有 + 个处理器核 二级 -' 同步管理单元和内存控制器 & 其中 每个处理器核有私有一级数据和指令 -' 以及可配置的程序员可控! 处理器核之间以及处理器核与共享的二级

8 + 计 算 机 学 报 年 -' 通过片上互连网络互相通信 二级 -' 的总容量为 ( 在物理上设计为分布的 个 路组相联的存储体 根据访存地址分体交叉访问 而在逻辑上由所有片上处理器核共享 & 本节的模拟试验基于周期级的 程序众核处理器 $ 2$ " 模拟器 & 处理器核为顺序双发射 支持! 指令集 & $ 2$ " 的结构参数如表 & 表 )/ '0 模拟器系统配置参数模块描述,.. '$5 3'-' '-' -' 5$0 5,,$5: '$ 5$% 5 级流水 顺序双发射! 个 3# 私有 + 路组相联 容量 =(( 缓存块 命中延迟 拍私有 路组相联 容量 =(( 缓存块 命中延迟 拍总容量 ( - =( - 路组相联 +( 缓存块 <+ 5: 请求队列 允许 $ ,.22 < 3 静态 6 95$0. 8 级全流水 个虚通道 数据宽度. 共 + 个 带宽. 读延迟 拍 写延迟 拍.&) 结 果下述数据分析图中 使用 -2 表示我们在众核结构 $ 2$ " 中提出的使用同步管理单元硬件支持的同步机制 -2 表示我们在 $ 2$ " 中基于传统原语 实现的同步机制 除在片上二级 -' 中实现原语的功能外 无专门的硬件支持 而 4" 5 - 表示在 3 商业双核处理器上 使用 4" 5 - 多线程模型实现的同步机制 & && 互斥访问同步机制的性能图 是对 $ 2$ " 和 3 多核处理器的互斥同步开销评估结果 & 横坐标表示线程的个数 纵坐标表示不同评估标准的时间度量 其时间值由处理器频率和执行的时钟周期换算而得 & 图 - 表示没有竞争的情况下 执行互斥同步操作的绝对开销 结果表明 3 多核处理器中锁开销是 $ 2$ " 中基于 的锁与基于同步管理单元的锁开销的十几倍 & 可以看到 当线程数较低时 低于 + 硬件支持并不会比基于传统原语的同步机制性能好 与文献 中的结论类似 & 这是因为我们将同步管理单元放在如图 所示片上网络的最右下端 而我们采用的线程调度机制则是从左上端的处理器核开始调度 因而线程数较少时 每次执行申请锁的操作所经过的网络路径平均长度大 并且该延迟大于到大部分二级 -' 存储体的延迟 因而使用同步管理单元的同步性能更低一些 & 但是 当线程数超过 时 可以看到硬件支持对锁操作的绝对开销有显著改善 & 从 个线程扩展到 + 个线程时 基于 的机制性能没有下降 说明对于大规模片上众核处理器而言 专用硬件支持使得同步机制的性能有更好的扩展性 & 图 表明 随着竞争同一把锁的线程数的增加 基于同步管理单元的锁的转换时间保持为常数 而基于 的锁与 3 多核处理器的锁转换时间则明显增加 基于同步管理单元的锁其转换时间明显小于其它两种锁机制 & 这是因为基于 原语的锁机制 在申请不到锁时 会隔特定时间重新发送申请至二级 -' 因而当前一个线程释放锁时 下一个应该被处理的线程并不能立即发出申请锁的消息 从而当线程数增多时 锁在不同线程之间的转换时间会有所增加 & 而同步管理单元将未能成功申请到锁的线程组织成等待队列 一旦持有锁的线程释放锁时 消息发送到 后 就可以立即从自身维护的等待队列中按特定顺序选择一个 发送回复 该处理器核收到 的回复便成功申请到锁 & 因而基于 的同步机制中 锁在不同线程之间的转换时间维持为常数 & 图 ' 表明当有多个线程竞争锁时 基于硬件支持的锁和基于原语的锁机制在众核处理器中对网 图 互斥访问同步操作的开销 络造成的压力远小于 3 商业双核处理器中的同步机制 & 不论基于 或 的锁机制 都可以看

9 期 徐卫志等 众核处理器片上同步机制和评估方法研究 到当线程数少于 时 普通读数操作的时间会有所降低 这是因为我们计算的是多个线程中读数操作时间的平均值 当线程数越多时 所有线程中的读操作的总时间跨度会减小 & 当线程数多于 时 普通读操作的时间趋向于平稳 & 由于在基于 原语的锁机制中加入了 -' $; 支持 并不是申请不到锁就立即在下一个时钟周期立即重新发送申请 而是等待一段特定的时间 因而 锁机制并没有对网络造成严重的影响 随着线程数的增加普通读数操作的时间只有少量的增加 & 而基于 的锁机制中即使某个处理器核不能立即申请到锁 也不会在片上网络中生成多余的数据包 因而对网络不会造成负面的影响 & 总体而言 基于同步管理单元的锁机制的性能 明显高于其它两种锁机制 并且结果也表明基于同步管理单元的锁机制具有良好的扩展性 & 另外 $ 2$ " 中基于 的锁机制是基于原子操作实现 不依靠专用的片上同步硬件支持 由结果可知 即使与基于同步管理单元的锁有相同的片上传输延迟和带宽 其性能仍然比硬件支持的锁差 & &&( 同步机制的性能在 ( 同步机制的性能比较中 我们只在 $ 2$ " 中基于同步管理单元实现 而在 3 商业双核处理器中基于 4" 5 - 多线程模型实现 & 图 ) 给出了 ( 同步操作的开销 & 横坐标表示线程的个数 纵坐标表示不同评估标准的时间度量 其时间值由处理器频率和执行的时钟周期换算而得 & 图 )- 表明 $ 2$ " 中硬件支持的 ( 同步的性能明显高于 3 多核处理器 ( 同步操作的绝对性能提高 倍左右 且随着线程数的增加 其扩展性更好 & 随着线程数的增加 $ 2$ " 中 ( 同步的绝对开销缓慢增加 而 3 多核处理器的 ( 同步则明显增大 甚至达到一个线程时的几百倍 & 在 $ 2$ " 中 硬件支持的 图 )( 同步操作的开销 ( 原理如 > 节所述 & 当某个线程到达 ( 后 发送消息到 收到该消息后 将等待该 ( 的线程数目减 直至为 此时按照距离由远及近发送确认消息 & 由于 $ 2$ " 中线程调度机制是生成后便立即调度执行 因而即使每个线程分配的数据量相同 其负载在 端看来仍不均衡 因此先生成的线程会更早到达 ( 从而有线程的等待情况发生 & 而线程数越多 这种等待的情况越明显 因而 ( 同步机制的开销会逐渐增加 & 图 ) 表示负载不平衡时 当最后一个线程到达 ( 后 所有线程离开 ( 的开销 & 3 多核处理器中 该开销是 $ 2$ " 的几百倍 & 由于 在 $ 2$ " 中 当参与 ( 同步的最后一个线程到达 ( 后 会按照与参与该 ( 的多个处理器核之间的距离由远及近发送确认消息 除此之外 无其它需要线程等待的情况发生 因而随线程数目的增加而有良好的扩展性 & 图 )' 表明当多个线程执行 ( 同步操作时 对网络造成了负面影响 & 在 3 多核处理器中 当线程数增大时 会使得网络越来越拥塞 而 $ 2$ " 则由于对同步操作的硬件支持而使之保持为常数 对于线程数有良好的扩展性 & 这是因为 $ 2$ " 使用同步管理单元组织等待队列 多个处理器核并不是在自身私有 -' 中自旋 而是集中 等待在 处 从而避免了由于 -' 一致性而造成的大量网络数据包 从而降低了对网络造成的压力 & 综上而言 对于片上众核处理器 硬件支持对同步机制的性能是非常重要的 并且专用硬件支持使得同步机制有非常好的可扩展性 & 因而对于强调片上大规模并行处理的众核处理器而言 对片上同步提供专用硬件支持是非常必要的 &

10 计 算 机 学 报 年 1 结论和下一步研究 与传统多处理器相比 片上多核和众核处理器的主要优势在于同一个芯片中多个处理器核之间的通信距离变短 & 但随着片上处理器核的增加 其同步机制变得更加复杂 从而同步机制的性能对并行程序的正确执行和性能都非常重要 & 我们针对片上众核体系结构 提出了片上专用硬件支持的同步机制和基于满空标志位的细粒度同步机制 并介绍了基于原语的片上互斥访问同步机制在这种结构上的实现方式 & 由于目前仍没有针对片上众核处理器同步机制评估的系统研究方法和评估标准 我们提出了粗粒度同步机制的评估标准和评估方法 并设计了量化评估程序 & 以片上同构众核处理器 $ 2$ " 模拟器和 3 4 5$ 商业片上多核处理器为平台 评估比较了提出的硬件支持的同步机制与基于原语的同步机制的性能 & 结果表明 硬件支持可以使得片上众核处理器的同步机制性能明显提高 在传统基于原语的同步机制中 大部分性能损失是由于负载不平衡和同步点的串行化操作而造成的等待时间 & 下一步我们将继续研究片上众核体系结构中 片上存储系统对同步机制的支持方式 从而取得更高效率的片上同步机制 & 并进一步研究片上存储系统对带有同步功能的数据传输引擎等部件的高效支持 进一步提高处理器的整体性能和吞吐率 & 参考文献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曹政 王达伟 刘新春 孙凝晖 & 曙光 高性能计算机 ( 网络的设计 & 计算机学报 =0,-5 -?.- 83$ 8,. 8 -%& -%0-. 82: ' 5$. -.$ $ ',0%.45$' 22$52 $ $%$8: -! 5;$5,- '!5$'. 82$;.8, 5.'2 ))& %- - $58.- ))) + * 0 7.5$ 8 5-5#085- -, -%& : ' 5$. -.$ 2-0; 5 044$5. 8 ;.'. ;. (85-. 2: ' 5$. -.$ $,- : '$5-5'. ' 05!5$'. 82$; 5 -.$ -% :,4$2.0,$;$,40 5 5'. ' 05 & $-%.;$ $$ -, 5$ -5- $5.:$2. -%&"! 45$85-,2-5-' 5. -.$ -, $ $%$8.'-%'$ $ 2!5$'. 82$; 0-% 5 -.$ -% :,4$ 2.0, $ $,40 5 5'. ' 05 & & %:)) + "-:%$5 ( -%& -%0-.$ $; 5-1,.'5$45$' 22$5 /4$2 1.5 ( %-:-5'. ' 05 ;$5! ,2!5$ '. 82$; ' 5,- : %& :$; $ '.4 1$5 -,,$5:. 5-5' : 2.8 ;$5,- : '$5 45$' 22$5!5$ '. 82$; $ -%$ ; 5 ' $!-5-% % % :2,2& $ 3 ) ) % 52$ -%- - 30,,. 823=$ % (!$5 5. %,. (&" 5-'$,40 52:2,!5$'. 82 $; 5 -.$ -%$ ; 5 ' $ 04 5'$,40. 8&,2 5 -," 5%- 2))

11 期 徐卫志等 众核处理器片上同步机制和评估方法研究 -,42$ $ -% $%-5 $044. ' % % 5(&/4%$.. 8;. ( % %.2, 1. '.4,0%.45$' 22$52- ; !5$'. 82$; 5 -.$ -% :,4$2.0, $.'5$-5'. ' 05 & 5%- $ %$ ) ( ',- (5- ;$5 7$$ 3-. & %-:. %-58 '.4,0%.45$' 22$5 '-' 2!5$'. 82 $;.'5$ &!$5 %- 5 8$ +) * - 8.' - % 2- $.'=52 &#.'.,5 4%.'-.$ -/.,.. 8'-4-'. :1.% %-:..% '.4,0%.45$' 2 2$52!5$'. 82$; & -.2$ 7.2'$ ' 0- $ &$$4 5-. '-'. 8;$5 '.4,0%.45$' 22$52!5$'. 82 $; & ($2 $ + # ' $5. )! &3& '-. - & ' '% ;$5,- ' '$,40 5-5'. ' % %-%8$5.,& / #2'3 2 $5. )! &3&& ' '% ;$5,- ' '$,40 5-5'. ' 05 - $ '.4,,$5:2:2,2& 3 '4 2 $5. )+! &3&45$; 22$5! &3& $5& ' '%0 -%8$5.,4-5-% % 45$' ,,$5:2:2,2& 2'5! $5. ) )! &3&-22$'.- 45$; 2 2$5& ' '%0 %$1 4$ $' 22$5,.'5$ -5'. ' 05 & 4 3# $5. )! &3&'-. - & ' ;$'02$ 4-5-% %-%8$5.,& 6 /! $5. )! &3&'-. - & ' ;$'02$.8 4 5;$5,- ' '$,40 5-5'. ' 05 & - 72! 7. %$4, $; 2,.'$ 0' $5 ' $%$8: 45$ %,2$;4$ $ - '$,,$5 -,$5.,4$5 - & - 1.% 1.5 %- ': ' -% 8 ;$5'$,40 5-5'. ' &",- : '$5-5'. ' 05.2 '$,. 8-45$,.2. 8'$,40. 84%- ;$5,;$ $ $$ 2. 8% '.4. ' %: 0 $ - - ', $;2,. '$ 0' $5 ' $%$8:& 5 '.5'0,2 - ' 2,- :5 2-5' $ $,- : '$5-5'. ' 05 & " 45 2.%!,- : '$5-5'. ' 05 -, 7&( 45 2 :'%$ ' 2044$ % '.4& %- $0 '.5 '$5 " 5-%$4245$ $ :4 '.4. '$ ; 5 ' ! & $ 2$ ".2 %$4 : 2. 0 $;$,40. 8" ' $%$8:. 2 '-,:$; '. ' 2& 2044$5 2 +'$5 2 $ -2. 8%. -..2'$ ' :3, 2 & 45 2 $4.'2$ 2: ' 5$. -.$ 2', $;$ '.4,- : '$5-5'. ' 05-5,-. %:$.,4%, -.$, $ - -%8$5.,& 5 2-5' 4$..2 $.,45$ 4 5;$5, - ' $;2: ' 5$. -.$ 20' -2 ($; &( '-02 1$5 %$- 2 / '0 $,- : '$5-5'. ' 05 -.; 5 ' -5-' 5.2.'2. 2 $0% 2044$5 '$-52 (85-. 2: ' 5$. -.$ - ;. (85-. 2: ' 5$. -.$ - 2-,., & % $ $5 2 -%0- -.,0%.4% 45$' 22$5 2:2, (2044$5. $.,45$ 4 5;$5,- ' $; 2: ' 5$. -.$ 2', $.$02%:&$1 5$ $;$ '.4,- : '$5-5'. ' 05.2 '$,,0.'-.$ %- ':.2%$1 5& $ : ' 5$. -.$ 2', 2044$5 :.' & & : ' 5$. -.$ % ;$5,- ' $ -%- $,.' -2 2: ' 5$. -.$ 2', & -..$ -2;-5-2$05 $1% ; ' 2 $ 2:2,-.' -%0-.$, $ - '5. 5.$ ;$5$ '.4,- : '$5 45$' 22$52& $ 1 ;$'02$ -%0-.$, $ - 4 5;$5,- ' '5. 5.$ $; 2: ' 5$. -.$ 2', $;2-5,,$5:,- : '$5 45$' 22$52& 058$-%.2 $ %24 '.;.' -%0-.$ '5. 5.$ 2$;2: ' 5$. -.$ $4 5-.$ $,,. '5$ ',-5 21.' -5.'- $ -%0- $ 4 5;$5, - ' '5. 5.$ 5 24 '. %:& ".21$ $5 $; - = :!5$ 85-,$;-.$ -%- 05-% '. ' $0 -.$ $; $> -.$ -%(-2.' 2-5'!5$85-, )!5$85-,$; $> ( -.$ -%.8 " ' $%$8: 2-5' - 3 %$4,!5$85-,!5$85-,$; $>) * -.$ -% '. ' $0 -.$ ;$ $0 8 ' $%-52$; $> ) ) $0 -.$ ;$5 $ ' 5$042$; -.$ -%- 05-% '. ' $0 -.$ $; $> ) (.? % '. ' $0 -.$ 85- $>+)++&

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