Автореферат (Блоки динамического предсказания переходов высокопроизводительных суперскалярных RISC микропроцессоров ответственного применения)

На правах рукописиБАРСКИХ МИХАИЛ ЕВГЕНЬЕВИЧБЛОКИ ДИНАМИЧЕСКОГО ПРЕДСКАЗАНИЯ ПЕРЕХОДОВВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫХ СУПЕРСКАЛЯРНЫХ RISCМИКРОПРОЦЕССОРОВ ОТВЕТСТВЕННОГО ПРИМЕНЕНИЯСпециальность 05.13.05 – Элементы и устройства вычислительной техники исистемАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2017Работа выполнена в Федеральном государственном учреждении «ФедеральныйНаучныйЦентрНаучно-ИсследовательскийИнститутСистемныхИсследований Российской Академии Наук» (ФГУ ФНЦ НИИСИ РАН).Научный руководитель:Бобков Сергей Геннадьевич, доктор техническихнаук,профессор,директорФедеральногогосударственногоучреждения«ФедеральныйНаучныйЦентрНаучно-ИсследовательскийИнститут Системных Исследований РоссийскойАкадемии Наук»Официальные оппоненты: ПетросянцКонстантинОрестович,доктортехнических наук, профессор департаментаэлектронной инженерии Московского институтаэлектроникииматематикиФедеральногогосударственного автономного образовательногоучреждения высшего образования «Национальныйисследовательский университет «Высшая школаэкономики»Черников Владимир Михайлович, кандидаттехнических наук, начальник отделения, главныйконструктор направления Закрытого акционерногообщества научно-технический центр «Модуль»Ведущая организация:Публичное акционерное общество «Институтэлектронных управляющих машин им.

И.С.Брука»Защита диссертации состоится «02» марта 2018 г. в 16:00 на заседаниидиссертационного совета Д 212.157.16 при ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» поадресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 17, аудитория Г-306.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» ина сайте www.mpei.ru.Автореферат разослан «___» ______________20__ г.Ученый секретарь диссертационного советаД 212.157.16,кандидат технических наук/ П.А. Парамонов /Общая характеристика работыАктуальность темыОсновным фактором повышения производительности вычислительныхсистемявляетсясозданиевысокопроизводительногомикропроцессора.Производительность микропроцессора определяется рядом факторов: частотойегофункционирования,архитектурой(возможностьюодновременноговыполнения нескольких инструкций, обрабатывать несколько потоков данных,наличием нескольких ядер, особенностями подсистемы памяти и пр.),характеристиками кэш-памятей различного уровня и системой команд.Основным причиной, сдерживающей увеличение частоты современныхмикропроцессоров, является значительный рост потребляемой мощностимикропроцессора, приводящий к невозможности эффективного отвода тепла.Именнопоэтомуосновнымфакторомповышенияпроизводительностимикропроцессоров является развитие архитектурных решений.

Одним изнаиболее значимых и актуальных направлений в развитии архитектур RISCмикропроцессоров является развитие методов предсказания выполненияинструкцийусловныхпереходов.Этомунаправлениюипосвященадиссертационная работа.Команды ветвления в программе, выполняемой процессором, создаютзависимости по управлению, определяя порядок выполнения инструкций вконвейере. Поэтому новые инструкции не могут запрашиваться до тех пор,пока не будет вычислено условие перехода и, соответственно, не будетопределен адрес следующей инструкции для её выборки и выполнения.Решением данной проблемы является использование предсказания переходов,которое позволяет осуществлять предварительную выборку инструкций иданных из памяти, и начать выполнять инструкции, находящиеся послеусловного перехода, до того, как он будет выполнен и проверено его условие.Использование предсказания переходов де-факто является неотъемлемойчастью всех современных микропроцессоров, так как позволяет оптимально3использовать вычислительные ресурсы процессора.Самой простой реализацией предсказания переходов является статическоепредсказание.

Недостатком ее является зависимость точности предсказания оттипаисполняемойпрограммы.Например,дляпрограммсбольшимколичеством циклов статическое предсказание может показать точность выше90%, а в случае наличия в коде программы анализа данных точность методаможет быть порядка 50%, т.е. не выше случайного угадывания. Поэтомупрактическивовсехсовременныхмикропроцессорахиспользуетсядинамическое предсказание ветвлений, которое основывается на анализенакопленной истории выполнения команд ветвления.Методампредсказанияветвленияпосвященобольшоеколичествотеоретических и практических исследований как в различных университетах,так и в ведущих компаниях-разработчиках микропроцессоров.

Анализлитературы показал, что в проводимых университетских и академическихисследованиях рассматриваются только показатели точности предлагаемойсхемы без учета практической реализуемости предлагаемых решений и ихреального влияния на производительность.

Это приводит к неэффективноститаких методов, особенно в микропроцессорных системах управления. Другимнедостатком этих исследований является ограниченность моделирования, наосновании которого делается вывод о потенциале использования схемпредсказания.Впубликацияхмикропроцессоровотсутствуетжеведущихдетальнаямировыхинформацияпроизводителейоприменяемыхреализациях методов предсказания, указывается только общая информация,нередкомаркетинговогохарактера,чтообъясняетсясоображениямиконкуренции.ФГУ ФНЦ НИИСИ РАН в течение многих лет разрабатывает и выпускаетмикропроцессоры для создания систем управления и контроля промышленныхобъектов, авиационных и космических систем и пр.

Проведенные исследованияпоказали, что для эффективного решения таких задач необходима ориентация4архитектур микропроцессоров на эти задачи, то есть учет особенностейприкладных программ и условий их эксплуатации. В этой связи актуальнымявляется развитие методов оптимизации архитектур высокопроизводительныхсуперскалярных RISC микропроцессоров встроенного применения, включаяметоды предсказания ветвления.Цель и задачи работыЦелью диссертационной работы является разработка блока динамическогопредсказания условных переходов, оптимизированного для использования всоставе RISC-микропроцессоров с архитектурой КОМДИВ разработки ФГУФНЦНИИСИРАН,атакжеразвитиеметодовпроектированиясложнофункциональных блоков.Для достижения указанной цели в диссертационной работе поставлены ирешены следующие основные задачи:1.

Анализ существующих алгоритмов и схем динамического предсказанияветвлений, используемых в современных процессорах.2. Совершенствованиемаршрутапроектирования:разработкаметодатестирования сложнофункциональных блоков современных микропроцессорови добавление в маршрут новых САПР.3. Разработка методики валидации сложнофункциональных блоков напримере RTL-модели блока динамического предсказания.4. Разработка методики оптимизации сложнофункциональных блоков дляиспользования в составе определенного микропроцессора.Научная новизна исследованияНаучной новизной обладают следующие результаты исследования:1.

Метод тестирования RTL-моделей блоков с использованием случайнойгенерации тестовых воздействий, управляемый функциональным покрытием(metric driven testing).2. Методика валидации разрабатываемого блока предсказания ветвления идоказательства корректности его работы.53. Методикаоптимизациисложнофункциональныхблоковдляиспользования в составе процессора с заданной микроархитектурой.Практическая значимостьСпроектированный с использованием разработанных методов и методик блокдинамического предсказания ветвления используется в составе 64-разрядныхRISC микропроцессорах 1890ВМ6Я, 1890ВМ8Я и 1890ВМ9Я разработки ФГУФНЦ НИИСИ РАН, а также в разрабатываемом микропроцессоре 1890ВМ108(ОКР «Базис-Б2»).

Благодаря комплексному применению созданных средствтестирования, валидации и оптимизации блок может быть использован в другихмикропроцессорах для оптимизации по аппаратным затратам, потреблениюпитания и производительности, или, наоборот, для максимального повышенияпроизводительности.Впервые в России в маршруте разработки были использованы САПРформальной верификации JasperGold® Formal Verification Apps: Formal PropertyVerification и Coverage Unreachability фирмы Cadence, которые сталииспользоваться в маршруте ФГУ ФНЦ НИИСИ РАН при разработкемикросхем.

На этапе валидации использовался аппаратный ускоритель CadencePalladium® XP, опыт адаптации проекта и управляющие скрипты для которогомогут быть повторно использованы в следующих проектах.Результаты работы могут использоваться в ФГУ ФНЦ НИИ СистемныхИсследований РАН, а также в других научных и промышленных организациях,занимающихся разработкой высокопроизводительных суперскалярных RISCмикропроцессоров ответственного применения.Основные положения, выносимые на защитуОсновные научные и практические результаты диссертационной работы,выносимые на защиту, заключаются в следующем:1. Блок динамического предсказания условных переходов, разработанныйдля RISC-микропроцессоров архитектуры КОМДИВ.2. Метод тестирования RTL-моделей сложнофункциональных блоков СБИС6с использованием случайной генерации тестовых воздействий, управляемыйфункциональным покрытием.3.

Методикавыборапараметровикритериевдлявалидацииразрабатываемого блока.4. Маршрут проектирования, включающий в себя предложенную авторомметодикуииспользующийсовременныесредствафункциональнойверификации.5. Методикаоптимизациипроектируемогоблокаиинструменты,поддерживающие предложенные методы.Перечисленные результаты получены лично автором и были успешноапробированы при создании микропроцессоров 1890ВМ6Я, 1890ВМ8Я и1890ВМ9Я, а также при выполнении ОКР «Базис-Б2» в ФГУ ФНЦ НИИСИРАН (управляющий микропроцессор 1890ВМ108).Апробация работыОсновные положения диссертации доложены на следующих конференциях исеминарах:1.V, VI, VII, IX, XIII и XIV научно-технические конференции "Электроника,Микро- и Наноэлектроника" (г. Нижний Новгород, 2003, 2004, 2005, 2007, 2011,2012 гг.).2.Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем(МЭС-2005, МЭС-2014, МЭС-2016, г.

Зеленоград).3.Семинарах ФГУ ФНЦ НИИСИ РАН (г. Москва, 2012, 2014, 2016 гг.).4.2-й научной конференции «Интегральные схемы и микроэлектронныемодули» («Микроэлектроника-2016», Республика Крым, г. Алушта, 2016г.).5.Опыт использования аппаратного ускорителя Palladium® XP и САПРформальной верификации JasperGold® Formal Verification были авторомдоложены на международных конференциях Cadence CDNLive EMEA (г.Мюнхен, Германия, 2014 и 2016 гг.).7ПубликацииПо теме диссертации автором опубликованы 15 работ, в том числе 6 врецензируемых изданиях, входящих в перечень рекомендованных ВАК, полноотражающие основные результаты диссертации.

Получено 4 патента РФ наизобретение: RU2503996, RU2504000, RU2556364, RU2584470.Структура и объем работыРабота состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы идвух приложений. Основной текст диссертации (без приложений и спискалитературы) занимает 177 страниц, содержит 84 рисунка, 9 таблиц, списоклитературы состоит из 104 наименований.Содержание работыВо введении обосновывается актуальность темы работы, определяются еецели и задачи, раскрывается ее практическая значимость.В первой главе приведен обзор существующих в настоящее времяалгоритмов динамического предсказания ветвления и основных параметров,влияющих на их точность работы.