多核微处理器加速平台RAMP研究

微处理器向多核和众核方向的发展给计算机体系结构带来了新挑战.针对这一挑战,多核处理器加速平台RAMP应运而生,通过采用多FPGA模拟,用FPGA以硬件的速度级来模拟高度并行体系结构,给并行和多核体系结构的研究带来了新的途径和手段.分析了RAMP平台的体系结构和设计框架,简介了当前主要的RAMP研究项目,并从RAMP架构...     

多核微处理器体系结构级功耗模型分析

利用FT-SHSim模拟工具平台,对主流的微处理器核心模型SMT(同步多线程,simultaneous multithreading)和MSS(适度超标量,moderate superscalar)进行建模。采用先进CMOS工艺,在体系结构级进行功耗评估的模拟实验,得到不同微处理器结构的工艺需求和不同工艺下同微处理器结构可以实现的性能及所需的规模,为微处理器设计的早期阶段提供工艺需求与实现方法的参考价值,从而实现提高设计质量、缩短设计周期、加快设计收敛的目的。研究结果表明:在最小线宽为22 nm的工艺下,128核SMT处理器模型峰值功耗为116 W,64核MSS处理器峰值功耗为161 W。     

基于WDC结构的低静态功耗Cache设计

基于片上cache占处理器芯片功耗的比重越来越大,提出了一种新的路衰减cache(Way-Decay Cache,WDC)结构．该结构通过门控Gnd技术来动态地关闭或开启部分cache路,使得cache结构可以在低功耗配置和正常配置之间切换,从而达到降低静态功耗的目的．与现有的低功耗cache结构相比,附加的逻辑少,实现简单,具有硬件的可实现性．试验结果表明,该结构可以降低cache的功耗,同时对cache整体的性能影响很小．     

基于DSP处理器的片上ROM功耗优化实现

数字信号处理器(Digital Signal Processing,DSP)芯片用于手持式设备,功耗是其核心参数; DSP因ROM具有高的可靠性而使用其对固化的bootloader,科学函数库,功能函数库以及主应用程序进行存储,其功耗的大小对整个芯片产生了较大的影响;针对芯片中ROM被频繁访问产生较大功耗的问题,提出了对ROM存储空间进行结构优化和对其存储空间进行地址重组优化及对读数据时序结构进行优化的低功耗优化方法,达到了在不影响DSP性能的前提下降低功耗的目的; DSP已经流片并改版,最终减小DSP整体功耗约11.3%。     

一种基于FPGA的RTL级电路功耗评估方法

功耗是当前集成电路设计中应考虑的最重要因素之一.RTL级电路功耗评估可以在保证一定速度和精度的前提下对电路进行尽可能早的功耗评估.目前商业功耗评估工具对RTL级电路评估的方法多是基于软件的,因速度较慢其应用受到很大限制.提出了一种基于FPGA的RTL级电路功耗评估方法,与传统的基于软件的功耗评估方法相比,速度提高了10到100倍.速度上的优势也使该方法特别适合于研究不同激励对电路功耗的影响.     

频率2 GHz的16核处理器二级缓存设计

摘要：
提出了针对多核处理器的2级缓存L2 Cache设计方案,以高效地处理访存请求.采用优化的目录协议维护与1级缓存L1 Cache的数据一致性,并结合片上目录来维护L2 Cache之间及其与3级缓存L3 Cache之间的一致性;在L2 Cache设计中,提出了基于MESIA F的Cache一致性协议,实现了最早返回取数数据的短流水线设计;采用相关链和远程链机制解决了监听应答导致的死锁问题;通过基于流水线的睡眠与唤醒技术降低了漏流功耗;通过细粒度门控时钟降低了其动态功耗.后端设计结果表明,经过优化设计的L2 Cache达到了频率2 GHz的设计目标,并已成功应用于某16核处理器芯片. 关键词：
中图分类号： 文献标志码： A     

CMOS集成电路设计中的功耗优化技术

对近年来发展起来的ＣＭＯＳ（互补型金属－氧化物－半导体）集成电路的各种低功耗设计方法进行了分析和比较。阐述了在电路级、逻辑级、寄存器传输级以及行为级。算法级和系统级等不同层次上的功耗优化的理论和方法,并且对在各个层次上功耗优化所能达到的功耗改善的极限以及可改进的潜力作了进一步的探讨。     

电荷泵锁相环系统级功耗估计

功耗问题是制约集成电路设计的一个重要因素.分析了CMOS集成电路中功耗的来源,集成电路设计中功耗设计的目的,估算方法和功耗模型.研究模拟集成电路的特点和相应的功耗估计方法.针对采用环形振荡器的电荷泵锁相环,研究电荷泵锁相环的组成,各模块的工作原理及对功耗的贡献,提出了电荷泵锁相环系统级功耗估计模型.与实际测量结果相比,相对误差小于22%.该模型易于植入集成电路设计工具,可以对锁相环系统级设计提供功耗方面的参考,提高集成电路的设计质量.     

应用Hill—Marty推论对异构多核处理器设计的分析

利用Hill-Marty的多核处理器加速比的推论（芯片中用于共享缓存、互连网络和内存控制器等片上资源不考虑在内）,在异构多核处理器中的强内核和弱内核分别与同构多核处理器中的内核性能相同的情况下,计算得出使得异构多核处理器比同构多核处理器性能更优的等价基本核的结构分配方式,从而提出了最优的异构多核处理器核结构配比的设计方案。     

动态测试系统微功耗技术研究

本文介绍了在动态测试系统中实现微功耗的关键技术以及对电路进行优化设计的常用方法;着重阐述了微功耗优化技术的相关内容;在分析现有模拟器件和功耗模型的基础上,从物理逻辑设计、软件编程优化、低功耗映射等方面评述了当前低功耗关键技术,并提出了相关可行的改进方案。     

应用Hill-Marty推论对异构多核处理器设计的分析

利用Hill-Marty的多核处理器加速比的推论(芯片中用于共享缓存、互连网络和内存控制器等片上资源不考虑在内),在异构多核处理器中的强内核和弱内核分别与同构多核处理器中的内核性能相同的情况下,计算得出使得异构多核处理器比同构多核处理器性能更优的等价基本核的结构分配方式,从而提出了最优的异构多核处理器核结构配比的设计方案。     

基于细粒度伪划分的多核私有Cache容量共享机制

针对多核私有Cache结构面临的容量失效问题,提出了一种基于细粒度伪划分的核间容量共享机制.通过在细粒度层次为每个Cache Bank设置加权饱和计数器阵列来统计和预测各线程的访存需求差异情况,控制各个处理器核在每个Cache Set上的私有域与共享域划分比例,并以此指导各处理器核上的牺牲块替换、溢出与接收决策,利用智能的核间容量借用机制来均衡处理器间访存需求差异,缓解多核私有Cache结构面临的容量失效问题.在体系结构级全系统模拟器上的实验结果表明,该机制能够有效改善多核私有Cache结构的容量失效问题,降低多线程应用程序的平均存储访问延迟.     

片多处理器和对称多核处理器的研究进展

片内多处理器(Chip Multi-Processor,CMP)思想和首个多核结构原型自1996年由斯坦福大学首次提出以来,直到2001年IBM才发布了真正的双核RISC处理器Power4,成为首款采用多核设计的服务器处理器.但是多核处理器进入主流桌面应用,还是从Intel和AMD正式引入多核架构开始的.本文针对片多处理器(Chip Multi-Processor,CMP)和对称多核处理器(Symmetric Multi-Processor,SMP)的研究进展进行综述和分析.首先,概括介绍了国内外片多处理器和对称多核处理器研究的最新进展,并分析了已存在的问题;其次,对片内多处理器和对称多核处理器的研究热点和趋势进行了分析,并指出该领域未来可能的研究方向;最后,对对称多核处理器的主要典型产品以及最新的Sandy Bridge架构做了详细介绍.     

电路设计中实现低功耗途径的探讨

CMOS电路功耗主要由动态功耗决定的，文章分析了影响CMOS电路功耗的主要因素，同时指出了降低CMOS电路功耗的主要途径，并介绍了一些低功耗器件的设计方法和低功耗的设计技巧．     

一种新型的抗PAA攻击的双轨预充电电路逻辑

在诸多抗功耗分析攻击的设计方案中,电路级的对抗设计主要是通过平衡芯片在运行不同逻辑运算时所产生的功耗,消除数字电路中功耗与其所存储和计算的信息的相关性,从根本上消除功耗分析所依赖的功耗-数据相关性的物理基础.文章在研究和分析双轨预充电逻辑的基础上,提出了一种新型低功耗、低成本的功耗平衡抗攻击门电路设计,并进行了实验验证.     

典型低功耗无线智能设备的一般功耗模型

低功耗无线智能设备数量正在急剧增长,研究其功耗影响规律有助于优化设备的电源模块,还能为自供电设备提供基本的设计指导.开发了一种典型无线低功耗蓝牙设备,根据无线设备的工作特征定义了无线数据吞吐率及工作占空比两个基本参数,建立了基于上述基本参数的一般功耗模型.通过所搭建的功耗测试平台测量了上述蓝牙设备在不同工作条件下的平均功耗值,实验结果验证了理论模型.研究结果在低功耗无线设备的功耗分析和优化方面有一定的指导意义.     

混合式可重构数字多核并行处理器平台

一种高性能、RISC-VLIW融合的多核、可重构数字媒体处理器已经从专利发明顺利形成了一个先进的数据处理器设计平台(Digital Multi-processor Platform)。研发的结果体现若干先进处理器技术的融合。(1)应用:低功耗并行运算处理覆盖数字信号处理(DSP)、数字媒体处理(DMP)和超级并行处理器(SPP)的应用扩展领域;(2)体系结构:精简指令(RISC)和超常指令字(VLIW)处理器融合于同一个可配置的平台;(3)运算能力:处理器群调用异构的通用处理器核,使用两类处理器核实例:通用处理器核(包括ALU等的通用运算)和专用处理器核(包括DDCU的用户自定义运算核);(4)可配置和可重构:硅编译器、SoC集成工具、用户自定义运算单元、多核间的和槽内的流水线、包括运算单元的现场编程;(5)设计自动化平台:专用工具用于设计、分析与验证;与商业电子自动化设计(EDA)流程接口;(6)产品模式:硅知识产权(Silicon IP)、通用处理器芯片系列(IC Series)、定制单片系统(SoC)。命名为Fusion的融合式数字多核处理器平台把数个先进处理器技术集成到一个统一的体系结构和设计环境之中...     

层次化片上多核处理器性能研究

层次化片上多核处理器紧耦合多个处理核构成"簇节点",对访存和片上通信的局部性有良好支撑,能有效地缓解片上多核间数据通信带来的通信开销。文章通过构建精细的层次化片上多核处理器仿真器,利用随机任务模型研究"簇节点"大小对系统性能的影响。仿真发现,一定系统规模下,要获得良好的系统性能,层次化片上多核处理器需要在"簇节点"数目与"簇节点"的大小(节点内处理核的数目)之间仔细权衡。     

基于OpenMP的文件压缩与解压的并行设计模型

在多核环境下,对文件压缩与解压并行算法进行研究,提出一种基于OpenMP的文件压缩处理并行设计模型。该模型由查找热点代码、并行化分析、并行建模、实现、调试等步骤组成。以动态哈夫曼算法为研究算法,将多核压缩处理并行设计模型应用到文件压缩与解压中。并在文件并行处理过程中,与数据分解法相结合对数据文件进行分割,将分解后的数据由主线程分给多个处理器上的多个子线程来并行处理,以此提高多核处理器的利用率并提高文件压缩效率。最后通过实验模拟验证模型以及算法性能。研究结果表明:在八核处理器下通过对文本文件、图像文件和音频文件等多种不同类型文件进行压缩解压试验,验证了动态Huffman并行算法与串行算法相比其加速比可以达到1.5~8.0倍,性能也得到很大提高。     

一种新的非冯·诺依曼计算机体系结构TriBA

针对复杂问题的分解方式,提出一种基三计算机体系结构,该体系结构易于扩展,具有分形特征.设计了一种面向对象多核CPU,支持对象并行运行,在一定程度上实现了软件结构与计算机系统结构的统一.片上多核间采用基三分层互连网络互连,连接简单,体现计算局部性特点,易于硬件实现. 基于该互连方式讨论了面向对象多核CPU上的4种基本软件流水模型.