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有一種管理CPU快速存取內(nèi)存的新流程,使速度提升了兩倍之多,耗能減少高達72%。據(jù)這種流程的設計師稱,實現(xiàn)這類卓越成果需要改變計算機中控制這一關鍵內(nèi)存的部件:直接布線至CPU電路進行控制若交由操作系統(tǒng)處理,速度就可大幅提升。
CPU將高速內(nèi)存緩存作為一種數(shù)字暫存區(qū)域。緩存主要是保存CPU可能很快用到的指令或是需要處理的數(shù)據(jù),是CPU的工作臺。從智能手機到服務器,幾乎每一個CPU都是用其電路中內(nèi)置的算法管理進出緩存的比特流的。
但是麻省理工學院的兩位研究人員說,隨著計算機和便攜設備的內(nèi)存和CPU核數(shù)不斷增多,完全由CPU來管理緩存也越來越不現(xiàn)實。他們說,操作系統(tǒng)最好能分擔這項工作。
這種想法本身并不是全新的概念。在IBM的一些Cell處理器以及索尼的PlayStation 3(基于Cell技術)中,應用程序和操作系統(tǒng)內(nèi)核就參與了低級CPU內(nèi)存管理。麻省理工學院的Jigsaw技術的特別之處在于其中立的方法,軟件無需太多控制便能配置芯片上的一些內(nèi)存緩存,從而避免編程成為內(nèi)存管理的噩夢。
麻省理工學院計算機科學及人工智能實驗室助理教授、Jigsaw發(fā)明者之一丹尼爾?桑切斯(Daniel Sanchez)說:“幾年前,人人都在抱怨,說雖然推出了PlayStation 3,但沒有人能把程序編好。”
通常由CPU硬件控制所有的芯片緩存,但這些緩存必須承擔任何一項能想象到的工作,從單純的浮點數(shù)運算(對緩存而言是一個小負擔)到計算機存儲器組的密集搜索和查詢(可能會超越它們的極限)。此外,CPU對其所開展的工作類型并無深刻的認識。這意味著利用與圖譜搜索(對存儲數(shù)據(jù)之間關系進行的占用內(nèi)存的搜索)一樣的緩存資源就可進行自成一體、包含復雜方程式的數(shù)值模擬,幾乎不需要訪問內(nèi)存。
因此桑切斯和他的研究生南森?貝克曼(Nathan Beckmann)想,為什么不讓操作系統(tǒng)減小緩存規(guī)模,進行純計算,并擴充其設置進行圖譜搜索呢?
他們說,第一步是將CPU占用空間的約1%分給一個可實時監(jiān)控每個核心中緩存活動的簡單硬件。有了硬件緩存監(jiān)視器,Jigsaw就具備了充當CPU緩存空中交通管制員所需的獨立監(jiān)視能力。
桑切斯和貝克曼說,然后最多需要給操作系統(tǒng)內(nèi)核再增加幾千行代碼即可。考慮到之前Linux內(nèi)核提供了1500萬行代碼,而非官方的數(shù)字稱,蘋果和微軟的內(nèi)核則比這個數(shù)字還多幾千萬行,所以增加幾千行并不多。
桑切斯說,Jigsaw其中一個更為突出的特別之處是嵌入操作系統(tǒng)的一個軟件模塊,研究人員稱其為Peekahead。這種模塊是根據(jù)十多年前北京的計算機科學家們開發(fā)的Lookahead緩存改造而成的。Peekahead能預測內(nèi)核在未來時鐘周期內(nèi)要進行的工作,據(jù)此計算最佳CPU緩存配置。
桑切斯說:“如果交由軟件管理,那么就必須要注意開銷了。”他說設計不當?shù)木彺婀芾硐到y(tǒng)可能會將緩存縮小到最佳規(guī)模,每秒重復多次,但這樣會給CPU造成負擔。需要大量CPU時間的CPU效率算法的意義何在?他說:“精確解非常昂貴。所以我們必須找到一個快速完成工作的方法,以保證開銷不會超過收益。”
總部位于加利福尼亞山景城的半導體咨詢公司林利集團的林利?格溫耐普(Linley Gwennap)說,他對Jigsaw印象深刻,但要注意晶圓廠還未完全作好準備。“一般來說,問題是,在一種處理器上奏效的方案,在另一種具有不同硬件設計的處理器上可能不起作用。”他說道,“處理器一有變化,就不得不重新設計軟件,客戶們對此不太喜歡。”
桑切斯反駁說,軟件應用和實用程序不會受到Jigsaw的影響。他說:“只有操作系統(tǒng)代碼需要熟悉硬件知識,如緩存不同部分的拓撲結(jié)構(gòu)。”
密歇根大學計算機科學助理教授杰森?瑪爾斯(Jason Mars)說,作為概念驗證手段,Jigsaw很有效,但他說芯片制造商在他們認為適當之處可能進行調(diào)整。
“這項工作的奇妙之處與軟硬件之間的協(xié)同設計有關。”瑪爾斯說,“以往的大部分工作都偏向一個方向。預期在硬件中完成的工作較多,相對靈活性較少。Jigsaw確實創(chuàng)建了一套涵蓋了硬件和軟件的全面體系。”
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原文標題:緩存機:眾核處理器要求軟件具備靈活性,以最大限度地利用板載內(nèi)存
文章出處:【微信號:IEEE_China,微信公眾號:IEEE電氣電子工程師】歡迎添加關注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。
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