支持动态可扩展Cache一致性分区的众核处理器关键技术研究

Manycore processors integrating a large number of lightweight cores have become current research focus. Similar to MPP systems, multi-task sharing is a reasonable way to take full advantage of manycore's resources, by means of partitioning processor resources for each task. However, different tasks have different requirements of processor resources, and even for a single task, its resource requirement has obvious characteristic of phase during the task execution. At the same time, implementing the global cache coherence in manycore processor is not feasible due to the huge overhead of the Cache coherence protocols. Because of the reasons mentioned above, the key techniques supporting dynamically Scalable Cache Coherence Partition (SCCP) in manycore processor are proposed, which can allocate processor resources according to the demands of tasks and isolate tasks' communication from each other. These key techniques can improve the utilization of processor resources and reduce the cost of cache coherence effectively. The main research contents of this project are: hardware-based dynamically reconfigurable subnetting, dynamically scalable cache coherence protocol and software-based SCCP-oriented dynamic scheduling algorithm. In order to verify the proposed techniques, a software-based simulator will be implemented to simulate the full manycore system, and some key modules will be implemented using FPGA. In addition, typical applications and benchmarks will be used to evaluate the overall performance.

目前，片内集成大量轻量级处理器核的众核处理器已经成为研究热点。类似于MPP系统，众核处理器的合理使用模式为多任务共享，每个任务分区（Partition）使用处理器资源。 但是，一方面，不同任务具有不同的资源需求，同一任务的资源需求在执行过程中也体现出明显的阶段性特征。另一方面，由于Cache一致性的协议开销，在众核处理器中实现全局Cache一致性是不可行的。 基于以上原因，本课题研究支持动态可扩展Cache一致性分区（SCCP）的众核处理器关键技术，实现任务资源的按需分配和分区隔离，达到提高资源利用率并有效降低Cache一致性开销的目的。本课题的主要研究内容包括：硬件动态可重构子网、动态可扩展Cache一致性协议，以及支持SCCP的软件动态资源调度机制。 本课题拟采用软件模拟器和关键模块FPGA实现相结合的方法进行仿真验证，并通过典型应用和benchmark进行性能评测。

为了支持大规模轻量级众核处理器的多任务分区共享使用模式，满足任务的动态性资源需求，支持大规模众核处理器上可扩展Cache 一致性，课题组研究了支持动态分区的资源调度等软件支撑机制，通过提出的任务映射算法实现了任务间通信优化和片上通信/计算资源均衡利用，从而提高处理器的整体性能；研究了动态可重构子网构建及广播机制，实现了不同应用任务分区之间的通信和广播的逻辑隔离，满足了不同任务的动态资源需求，提高了众核处理器片上网络的通信性能；研究了动态可扩展 Cache 一致性协议等硬件支撑机制，实现了动态任务分区内的 Cache 一致性，有效的降低任务分区之间实现Cache一致性操作的通信干扰，有效的提高了处理器性能；研究了支持动态可扩展 Cache 一致性分区的软件多核仿真模拟器，设计并实现了提出的任务映射算法、子网划分和通信机制、可扩展Cache一致性机制，同时在模拟器上实现了支撑多任务并行执行的同步互斥机制，并通过典型应用和 benchmark 进行性能评测。....课题组相关研究人员在国际会议、期刊上先后发表文章34篇，其中SCI文章14篇，EI文章116篇。课题组先后培养了8名学生，其中已毕业硕士生5名，毕业博士1名，另有一名博士将于2018年3月毕业。课题组圆满的完成了申请项目的时的既定论文发表任务和人才培养任务。..课题组提出的支持动态可扩展Cache一致性分区的众核处理器关键技术研究涵盖了众核处理器中任务调度层面的软件支撑机制、众核处理器片上网络子网隔离机制以及可扩展Cache一致性通信的分区隔离机制三个方面。对于如何有效利用众核处理器丰富硬件资源从而提高处理器整体性能进行了较为全面和深入的研究。课题组的研究成果在一定程度上为如何设计和利用众核处理器提供了借鉴。