温度约束下的高性能众核芯片处理器资源分配方法探索

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为满足日益增长的计算需求,众核芯片的集成度和性能也在不断提高,随之而来的是快速增长的芯片功率密度和温度,芯片的热管理正面临严峻的挑战。为保证芯片的运行时可靠性,在温度约束下优化芯片的性能变的尤为重要。任务迁移能将“热”处理器核心上的任务迁移到温度较低的“冷”核心上继续运行,而其迁移路径或迁移目标被定义为迁移模式。另一种热管理方法是当芯片的一部分核心处于高频运行时,关闭一些核心来避免芯片过热,这些关闭的核心被称为暗核。由于暗核可以在激活/关闭状态中来回切换,它们给任务迁移模式带来了更多的选择。现有工作表明,将暗核放置在激活核心的附近可以降低功率密度,从而令激活核心能在更高的电压/频率水平下运行,带来更高的性能。然而,当系统中存在暗核时仍可能出现热点,现有的任务迁移方法既未考虑暗核对应用性能的影响,也未考虑不同的迁移模式下性能的差别,往往导致通信时延过高降低性能。与现有的任务迁移工作不同,本文中提出的基于任务迁移的资源分配算法同时考虑了迁移模式和和暗核分配对性能的影响,主要分为两步:首先对于应用指定暗核数量并选择合适的迁移模式,以优化整体性能;其次,为包含暗核的应用核心区域选择合适的形状和位置,以优化通信时延和计算性能,并避免空闲核心碎片化。实验结果表明,与现有的两种热感知运行时任务迁移方法相比,所提出的方法最多能减少50%的总响应时间。此外,为提高芯片的集成密度及满足日益增长的性能需求,三维集成芯片成为众核系统的一个重要的发展趋势,然而三维芯片内更高的单位体积内晶体管集成度和功率密度带来了更严峻的散热问题。当系统内部分处理器未激活时,现有的针对三维众核系统的任务迁移方法未考虑暗核和不同迁移模式对应用性能的影响,往往会导致正在运行或后续运行的应用通信延迟过高。因此,本文将所提出的基于任务迁移的资源分配算法拓展到三维众核系统上。与二维系统不同的是,在三维系统内分配处理器资源时,本文还考虑了系统不同层的散热异质性,且有效利用了带宽更高通信时延更短的TSV垂直链路。实验结果表明,与现有的两种运行时资源调度方法相比,所提出的方法最多能减少42%的总响应时间。
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