Архитектура VLIW

Архитектура VLIW / EPIC
Подстригайло Алена, 12221
Классификация архитектур
Скалярные
С параллелизмом
на уровне команд (ILP)
Суперскалярные
x86
x86-64
CISC
RISC
VLIW / EPIC
Alpha
Power, PowerPC
SPARC
MIPS
Itanium2
Эльбрус 2000
Параллелизм на уровне команд
(Instruction Level Parallelism)
ILP-процессоры
• Имеют несколько исполнительных устройств
• Могут исполнять несколько команд одновременно
Суперскалярные
процессоры
• Процессор сам
распределяет
ресурсы
VLIW / EPIC-процессоры
Very Long Instruction Word /
Explicitly Parallel Instruction Computing
• Компилятор распределяет
ресурсы процессора
Архитектура VLIW / EPIC
• На входе - последовательность больших команд,
состоящих из нескольких простых операций, которые могут
исполняться параллельно.
• Преимущества перед суперскалярами:
– Меньше места на процессоре тратится на управление,
больше остается на ресурсы: регистры, исполнительные
устройства, кэш-память.
– Более тщательное планирование дает лучшее
заполнение исполнительных устройств (больше команд
за такт).
• Недостатки:
– Долгое время планирования потока команд.
– Невозможность учесть динамику исполнения программы.
Superscalar VS VLIW/EPIC
Задачи управления:
• Параллельное исполнение команд
Нужно найти независимые команды
– SS: Независимые команды ищет процессор
– EPIC: Независимые команды ищет компилятор
• Спекулятивное исполнение команд
Нужно заранее угадать, выполнится ли переход
– SS: Процессор автоматически предсказывает
переход
– EPIC: Компилятор подсказывает процессору, как
поступить
Superscalar VS VLIW/EPIC
Задачи управления:
• Спекулятивная загрузка данных
Нужно проверить корректность преждевременной
загрузки данных
– SS: Процессор автоматически проверяет корректность
– EPIC: Компилятор использует специальную команду
проверки
• Размещение данных на регистрах
Нужно оптимально использовать регистры процессора
– SS: Процессор автоматически отображает программные
регистры на аппаратные и управляет стеком регистров
– EPIC: Компилятор размещает данные на аппаратных
регистрах и управляет стеком регистров с помощью
специальных команд
Superscalar VS VLIW/EPIC
• Superscalar:
– Простой компилятор, процессор планирует поток
команд
– Меньше команд за такт: 3, 4, 5 (в среднем < 50%)
– Сложный исполнительный конвейер
• VLIW/EPIC:
– Сложный компилятор планирует поток команд
– Больше команд за такт: 6, 8,..,23 (в среднем > 50%)
– Простой исполнительный конвейер
Преимущества и недостатки VLIW
• Упрощает архитектуру процессора, перекладывая задачу
распределения вычислительных устройств на компилятор
• Снижается энергопотребление за счет отсутствия
больших сложных узлов
• Код для VLIW обладает невысокой плотностью: большое
количество пустых инструкций для простаивающих
устройств
• Сложные внутренние зависимости кода усложняют
программирование на уровне машинных кодов,
приходится полагаться на оптимизацию компилятора
• Наборы инструкций VLIW не являются обратно
совместимыми между различными поколениями
процессоров.
• Задержки загрузки данных из иерархии памяти (кэшей,
DRAM) не являются полностью предсказуемыми. Из-за
этого статическое планирование инструкций загрузки и
использования данных становятся крайне сложными.
Реализации VLIW
– Cydrome (1984-1988)
• Cydra-5: 256 bit VLIW (7 ops.), reg. rotation., sw.
pipeline
– МВК Эльбрус 3 (1986-1994)
– NXP Semiconductors
• TriMedia (1987, 1997, …): VLIW / DSP, 5-8 ops.,
256x128 bit regs, 45 FUs
– Texas Instruments
• C6000: VLIW / DSP
– Transmeta
• Crusoe: VLIW, слой двоичной совместимости с
архитектурой x86
– Tilera
– AMD/ATI Radeon
• C R600 до поколения Southern Islands (Radeon HD
7700 и далее)
EPIC – эволюция VLIW
• 1997 г. Intel Itanium (HP-Intel)
• Каждая группа (bundle) инструкций может иметь стоповый бит,
обозначающий, что следующая группа зависит от результатов
работы данной. Информация о зависимостях вычисляется
компилятором, и поэтому аппаратуре не придется проводить
дополнительную проверку независимости операндов.
• Инструкции программной подкачки данных. Предподкачка
увеличивает вероятность того, что к моменту исполнения
команды загрузки, данные уже будут в кеше. Также, в этой
инструкции могут быть дополнительные указания для выбора
различных уровней кеша для данных.
EPIC – эволюция VLIW
• Инструкция спекулятивной загрузки используется для загрузки
данных до того, как станет известно, будут ли они
использованы или изменены перед использованием
• Инструкции проверки загрузки проверяют, зависела ли
инструкция загрузки от последующей записи. В случае
наличия подобной зависимости, спекулятивная загрузка
должна быть повторена.
Архитектура Itanium (IA-64)
• Явный ILP (параллелизм на уровне команд)
– Компилятор объединяет команды процессора в связки,
которые могут быть выполнены параллельно,
– Процессор обеспечивает большое число ресурсов для
реализации ILP.
• Способы увеличения ILP
– Явная спекуляция по данным и управлению
(уменьшает задержки по памяти),
– Предикатное исполнение команд (устраняет ветвления),
– Аппаратная поддержка программной конвейеризации циклов,
– Предсказание ветвлений.
• Специальные способы увеличения производительности
программ
– Специальная поддержка модульности программ
(регистровый стек, вращающиеся регистры),
– Высокопроизводительная вещественная арифметика,
– Специальные векторные инструкции.
Особенности процессоров
архитектуры Itanium
• Простой широкий конвейер
– Много команд за такт (до 6)
• Большие вычислительные ресурсы
– Много исполнительных устройств (11)
– Большой объем (до 12 MB) кэш-памяти
– Большое число регистров (264)
Вращение регистров
• Верхние 75% регистров вращающиеся:
• целочисленные: r32 – r127
• вещественные: f32 – f127
• предикатные: p16 – p63
• При выполнении специальной команды перехода (в цикле)
вращающиеся регистры сдвигаются вправо на один:
•Используется при программной конвейеризации циклов.
Стек регистров
• При вызове подпрограмм и возврате происходит сдвиг
регистрового окна – целочисленные регистры работают как стек.
• Для автоматического сохранения/восстановления регистров в
памяти при «переполнении/переизбытке» стека работает
аппаратура RSE (Register Stack Engine). Она приостанавливает
выполнение команд, ждущих соответствующие регистры.
Средства повышения
производительности в IA-64
• Предикатное исполнение команд
– Позволяет зависимости по управлению (т.е. условные
переходы) преобразовать в зависимости по данным.
• Аппаратные счетчики циклов
– По специальной команде перехода счетчики автоматически
уменьшаются и делается проверка на выход из цикла
– Можно не задействовать регистры общего назначения.
• Спекуляция по данным и управлению
– Команды загрузки могут выполняться до того, как
обнаружится, что это действительно нужно
• Регистровый стек, RSE
• Аппаратная поддержка программной конвейеризации
циклов
– Выполняется с помощью:
• Предикатных регистров
• Аппаратных счетчиков цикла
• Вращающихся регистров
• Специальных команд перехода
Семейство процессоров Itanium
• 2001 – Itanium (Merced): 800 MHz, 4 MB L3 cache, 180
nm
• 2002 – Itanium2 (McKinley): 1 GHz, 3 MB L3 cache, 180
nm
• 2003 – Itanium2 (Madison): 1.5 GHz, 6 MB L3 cache, 130
nm
• 2006 – Itanium2 (Montecito): 1.66 GHz, 2×12 MB L3
cache, 2 cores, HyperThreading, 90 nm
• 2010 – Itanium 9300 (Tukwila): 1.73 GHz, 24 MB L3
cache, 4 cores, HyperThreading, 65 nm
• 2012 – Itanium 9500 (Poulson): 2.53 GHz, 32 MB L3
cache, 8 cores, HyperThreading, 32 nm
• 2014 – Itanium Kittson
Спасибо за внимание