Arquiteturas multi-tarefas simultâneas : SEMPRE : arquitetura SMT com capacidade de execução e escalonamento de processos

O avanço tecnológico no projeto de microprocessadores, nos recentes anos, tem seguido duas tendências principais. A primeira tenta aumentar a freqüência do relógio dos mesmos usando componentes digitais e técnicas VLSI mais eficientes. A segunda tenta explorar paralelismo no nível de instrução através da reorganização dos seus componentes internos. Dentro desta segunda abordagem estão as arquiteturas multi-tarefas simultâneas, que são capazes de extrair o paralelismo existente entre e dentro de diferentes tarefas das aplicações, executando instruções de vários fluxos simultaneamente e maximizando assim a utilização do hardware. Apesar do alto custo da implementação em hardware, acredita-se no potencial destas arquiteturas para o futuro próximo, pois é previsto que em breve haverá a disponibilidade de bilhões de transistores para o desenvolvimento de circuitos integrados. Assim, a questão principal a ser encarada talvez seja: como prover instruções paralelas para uma arquitetura deste tipo? Sabe-se que a maioria das aplicações é seqüencial pois os problemas nem sempre possuem uma solução paralela e quando a solução existe os programadores nem sempre têm habilidade para ver a solução paralela. Pensando nestas questões a arquitetura SEMPRE foi projetada. Esta arquitetura executa múltiplos processos, ao invés de múltiplas tarefas, aproveitando assim o paralelismo existente entre diferentes aplicações. Este paralelismo é mais expressivo do que aquele que existe entre tarefas dentro de uma mesma aplicação devido a não existência de sincronismo ou comunicação entre elas. Portanto, a arquitetura SEMPRE aproveita a grande quantidade de processos existentes nas estações de trabalho compartilhadas e servidores de rede. Além disso, esta arquitetura provê suporte de hardware para o escalonamento de processos e instruções especiais para o sistema operacional gerenciar processos com mínimo esforço. Assim, os tempos perdidos com o escalonamento de processos e as trocas de contextos são insignificantes nesta arquitetura, provendo ainda maior desempenho durante a execução das aplicações. Outra característica inovadora desta arquitetura é a existência de um mecanismo de prébusca de processos que, trabalhando em cooperação com o escalonamento de processos, permite reduzir faltas na cache de instruções. Também, devido a essa rápida troca de contexto, a arquitetura permite a definição de uma fatia de tempo (fatia de tempo) menor do que aquela praticada pelo sistema operacional, provendo maior dinâmica na execução das aplicações. A arquitetura SEMPRE foi analisada e avaliada usando modelagem analítica e simulação dirigida por execução de programas do SPEC95. A modelagem mostrou que o escalonamento por hardware reduz os efeitos colaterais causados pela presença de processos na cache de instruções e a simulação comprovou que as diferentes características desta arquitetura podem, juntas, prover ganho de desempenho razoável sobre outras arquiteturas multi-tarefas simultâneas equivalentes, com um pequeno acréscimo de hardware, melhor aproveitando as fatias de tempo atribuídas aos processos.

Previsão de desvios em arquiteturas multitarefas simultâneas

A exploração do paralelismo no nível de instrução (ILP) em arquiteturas superescalares é limitada fortemente pelas dependências de controle, as quais são ocasionadas pelas instruções de desvio, e pelas dependências de dados. As arquiteturas SMT (Simultaneous MultiThreaded) buscam explorar um novo nível de paralelismo, denominado paralelismo no nível de tarefa (TLP), para buscar e executar instruções de diversas tarefas ao mesmo tempo. Com isso, enquanto uma tarefa está bloqueada por dependências de controle e de dados, outras tarefas podem continuar executando, mascarando assim as latências de previsões incorretas e de acessos à memória, usando mais eficientemente as unidades funcionais e demais recursos disponíveis. Contudo, o projeto dessas arquiteturas continua a esbarrar nos mesmos problemas associados ao uso de técnicas utilizadas para a exploração de ILP, como a previsão de devios. Além disso, essas arquiteturas trazem novos desafios, como a determinação da maneira mais eficiente de distribuição/compartilhamento de recursos entre as tarefas. Nesse trabalho será apresentada uma topologia para as tabelas de previsão de desvios em arquiteturas multitarefas simultâneas. Além disso, serão desenvolvidas duas análises complementares acerca de previsão de desvios: o impacto da taxa de acertos da previsão de desvios em arquiteturas com pipelines profundos e o impacto da taxa de acerto na previsão do alvo de um desvio. Entre as principais contribuições do trabalho pode-se citar a definição de uma estrutura particionada para as tabelas de previsão em arquiteturas SMT, aliando desempenho a um menor custo de implementação em uma arquitetura real. Além disso, é mostrado que a taxa de acerto da previsão de desvios tem um grande impacto no desempenho das arquiteturas SMT com pipelines profundos, bem como nas causas de bloqueio do estágio de busca quando utiliza-se cache de instruções bloqueantes.