Improving the efficiency of multicore systems through software and hardware cooperation

Abstract

Increasing processors' clock frequency has traditionally been one of the largest drivers of performance improvements for computing systems. In the first half of the 2000s, however, it became clear that continuing to increase frequency was not a viable solution anymore. Power consumption and power density became prohibitively costly, and processor manufacturers moved to multicore designs. This new paradigm introduced multiple challenges not present in single-threaded processors. Applications running on multicore systems share different resources such as the cache hierarchy and the memory bus. Resource sharing occurs at much finer degree when cores support multithreading as well. In this case, applications share the processor¿s pipeline too. Running multiple applications on the same processor allows for better utilization of its resources¿which otherwise may just lie idle if an application does not use them. But sharing resources may create interferences between applications running on the system. While the degree of these interferences depends on the nature of the applications, it is typically desirable to reduce them in order to improve efficiency.
 Most currently available processors expose a set of sensors and actuators that software can use to monitor and control resource sharing among the applications running on a system. But it is typically up to end users to analyze their workloads of interest and to manually use the actuators provided by the processor. Because of this, in many cases the different mechanisms for controlling resource sharing are simply left unused.
 In this thesis we present different techniques that rely on software/hardware interaction to monitor and improve application interference¿and thus improve system efficiency. First we conduct a quantitative study showing the benefits of hardware/software cooperation on system efficiency. Then we narrow our focus on a given hardware knob: data prefetching. Specifically we develop and evaluate several adaptive solutions for improving the efficiency of hardware data prefetching on multicore systems. The impact of the solutions presented in this thesis, however, goes beyond the particular case of data prefetching. They serve as illustrative examples for developing software/hardware cooperation schemes that enable the efficient sharing of resources in multicore systems. L'increment de la freqüència dels processadors ha estat tradicionalment un dels majors responsables de la millora de rendiment dels sistemes de computació. Tanmateix, a la primera meitat del segle XXI es va fer evident que continuar incrementant la freqüència ja no era una solució viable. El consum de potència i la densitat de potència van esdevenir massa costosos, i els dissenyadors de processadors van adoptar dissenys "multicore". Aquest nou paradigma va introduir molts reptes que no eren presents als processadors "single-threaded". Les aplicacions que s'executen a processadors multicore comparteixen diferent recursos tal i com la jerarquia de "cache" i el bus de memòria. En processadors que suporten "multi-threading" encara comparteixen més recursos: en aquest cas les aplicacions també comparteixen els recursos del "pipeline". Executar diverses aplicacions en un processador permet una millor utilització dels seus recursos, que d'altra forma podrien no tenir cap utilitat si l'aplicació en execució no els utilitzés. Compartir recursos, però, pot crear interferències entre les aplicacions executant-se al sistema. Encara que el nivell d'aquestes interferències depèn de les aplicacions que s'executen conjuntament, normalment és desitjable reduir-les per tal de millorar la eficiència. Molts dels processadors actuals exposen un conjunt sensors i actuadors que el software pot utilitzar per supervisar i controlar la compartició de recursos entre les diferents aplicacions executant-se al sistema. En general és responsabilitat dels usuaris analitzar les aplicacions del seu interès i després configurar els actuadors de forma manual. Això suposa una dificultat afegida i per aquest motiu, en molts casos els diferents mecanismes per controlar com es comparteixen els recursos senzillament no es fan servir. En aquesta tesi, presentem diferents tècniques basades en la interacció del software i el hardware per supervisar i reduir la interferència entre aplicacions, i d'aquesta forma millorar la eficiència del sistema. Primer es presenta un estudi quantitatiu que mostra els beneficis de la cooperació entre software i hardware en la eficiència del sistema. Després el focus es centra en un actuador en concret: "data prefetching". En concret, desenvolupem i avaluem diferents solucions adaptatives per millorar la eficiència de hardware data prefetching a sistemes multicore. L'impacte de les solucions presentades a aquesta tesi, però, no es limiten a aquest cas concret. Al contrari, serveixen com exemples il·lustratius per desenvolupar tècniques de cooperació software i hardware que permetin compartir els recursos en sistemes multicore de forma eficient. La compartició de recursos en un processador és un factor crucial que afecta significativament a la seva eficiència. Però, altres nivells d'un sistema de computació també comparteixen recursos. En grans instal·lacions de computació com els "datacenters", les aplicacions també poden compartir altres recursos com la xarxa o l'emmagatzemament. Com a cas d'estudi considerem el disseny d'un sistema d'un sistema de comptabilitat d'energia basat en la cooperació entre el software i el hardware per a grans instal·lacions de computació. En aquest context, explorem diverses alternatives per als sensors i actuadors que es requereixen, així com també analitzem els diferents aspectes claus en el disseny d'un sistema d'aquestes característiques.