Gerenciamento energeticamente eficiente de memória para multiprocessamento em chip explorando múltiplas scratchpads

Abstract

A fim de proporcionar a alta capacidade de processamento requerida pelos dispositivos eletrônicos pessoais, sem ultrapassar os limites aceitáveis de potência e de consumo de energia, os sistemas em chip (SoCs) adotam o multiprocessamento. Para tanto, os SoCs possuem 2, 4 ou mais processadores, cada um com caches L1 privativas, conectados por meio de um barramento. Como o espaço de endereçamento visto pelos processadores é único, a programação do sistema pode assumir o modelo de memória compartilhada. A coerência entre as caches geralmente é assegurada pelo protocolo snooping. Para tirar proveito do paralelismo dos SoCs multiprocessados (MPSoCs), aplicações são desenvolvidas com uso de múltiplas threads executando concorrentemente. Neste contexto, observa-se que os dados de pilha de uma dada thread são acessados somente pelo processador no qual a thread está executando. Desta forma, a relocação da pilha para memória scratchpad (SPM) pode ser explorada para reduzir a energia do subsistema de memória. Esta redução advém não apenas da menor energia gasta em cada acesso à pilha, mas também da redução das faltas nas caches L1 de dados e da penalidade imposta pelo protocolo snooping. No presente trabalho propõe-se uma técnica para o gerenciamento dinâmico de dados de pilha em múltiplas SPMs, visando redução de energia no subsistema de memória em MPSoCs. A técnica utiliza um gerenciador totalmente em software, o qual é responsável por alocar e desalocar os dados de pilha de thread em SPM. A utilização da técnica dispensa intervenção do programador, pois as alterações necessárias no código da aplicação são realizadas por um compilador adaptado. Foram obtidos resultados experimentais através da simulação de 400 aplicações geradas aleatoriamente, assumindo-se 20 plataformas multiprocessadas, totalizando 8000 casos de uso. Os resultados mostram que, variando-se o perfil das aplicações quanto à proporção de acessos a dados de pilha, a técnica proporciona reduções de energia no subsistema de memória entre 11% e 20%, em média, para plataformas com caches L1 de 32KB, e reduções entre 14,7% e 25,9%, em média, para plataformas com caches L1 de 64KB. Para plataformas com caches L1 de menor capacidade, a redução de energia é menor pois a penalidade de faltas nas caches L1 de instruções imposta pelo gerenciador torna-se relevante.