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다중 코어 환경에서의 Back-end Fusion 구현
Exploiting Back-end Fusion in Multi-Core Processors 원문보기

한국정보처리학회 2014년도 춘계학술발표대회, 2014 Apr. 22, 2014년, pp.33 - 36  

박종현 (연세대학교 전기전자공학과) ,  정이품 (연세대학교 전기전자공학과) ,  노원우 (연세대학교 전기전자공학과)

초록
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최근 스마트폰이나 태블릿 PC 등의 모바일 디바이스가 상용화 되어감에 따라 그 안에서 핵심적인 처리기능을 담당하는 프로세서의 코어 수가 점차적으로 늘어나고 있다. 많은 수의 코어를 효율적으로 사용하기 위해 여러 가지 메커니즘이 구현되어 있으나, 단일 프로세스를 순차적으로 실행하는 경우 여전히 성능에서의 한계가 존재한다. 병렬화 되어 있지 않은 프로세스의 경우, Amdahl's Law[1]에 따르면 순차적으로 실행을 할 수 밖에 없는 부분이 존재하고, 이 부분은 하나의 코어에서만 실행되기 때문에 많은 연산 자원들이 낭비되는 현상이 발생한다. 본 논문은 다중 코어 환경에서 이러한 잉여자원을 효과적으로 사용하기 위해 Back-end Fusion 이라는 구조를 제안하여 프로세서의 성능 향상을 위한 연구를 진행하였다. Back-end Fusion 이란, 연산 처리를 담당하는 back-end 부분(execution unit, writeback 단계 등)을 필요에 따라 코어 간에 동적으로 재구성하여 성능을 향상시키는 메커니즘이다. 이 재구성된 프로세서의 back-end 를 효율적으로 사용하기 위해, 종속성과 로드 밸런스 등을 고려한 인스트럭션 분배 알고리즘을 함께 제안한다. Intel 사의 x86 Instruction Set Architecture(ISA)를 기반으로 한 시뮬레이터를 이용하여 Back-end Fusion 프로세서의 성능을 측정 해 본 결과 기존의 단일 코어 프로세서에 비해 평균 32.2%의 성능 향상을 확인할 수 있었다.

AI 본문요약
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문제 정의

  • 다중 코어 프로세서는 병렬 처리를 지원하지 않는 프로그램에 대해 성능 향상의 한계를 보이기 때문에, 본 연구에서는 순차적인 프로그램의 실행 성능 향상을 위해 다중 코어 환경에서의 Back-end Fusion 구조를 제안하였다. 이는 필요에 따라 인접한 코어의 back-end 하드웨어 자원을 빌려 사용하는 구조로, execution 단계가 전체 프로그램 실행의 병목이 되는 경우, 효과적인 성능 향상을 보여준다.
  • 본 논문은 코어들의 back-end 부분 (execution unit, writeback 단계 등) 의 재구성을 통해 프로세서의 성능을 향상시킬 수 있는 Back-end Fusion 구조를 제안한다. 이 프로세서 구조는 성능 저하의 주 원인이 되는 back-end 의 하드웨어 자원을 필요에 따라 재구성 하는 방식으로써, 사용되지 않는 코어의 자원을 동적으로 재구성하여 순차적 실행이 필요한 부분을 더 빠르게 연산 할 수 있다.

가설 설정

  • 코어간의 통신으로 인한 실행의 지연을 피하기 위해 두 개의 코어가 리오더 버퍼 (reorder buffer)와 레지스터 파일 (register file)을 공유하는 형태로 구성하였다. 인접한 코어에서 리오더 버퍼와 레지스터 파일은 물리적으로 코어들의 경계에 위치할 수 있기 때문에 접근하는 시간은 0 싸이클로 동일하다고 가정하였다. 두 코어에서 리오더 버퍼를 공유하고 있으므로, 분기 예측 실패 시에는 commit 단계에서 복구과정을 수행하도록 설계하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
Back-end Fusion이란? 본 논문은 다중 코어 환경에서 이러한 잉여자원을 효과적으로 사용하기 위해 Back-end Fusion 이라는 구조를 제안하여 프로세서의 성능 향상을 위한 연구를 진행하였다. Back-end Fusion 이란, 연산 처리를 담당하는 back-end 부분(execution unit, writeback 단계 등)을 필요에 따라 코어 간에 동적으로 재구성하여 성능을 향상시키는 메커니즘이다. 이 재구성된 프로세서의 back-end 를 효율적으로 사용하기 위해, 종속성과 로드 밸런스 등을 고려한 인스트럭션 분배 알고리즘을 함께 제안한다.
다중 코어 프로세서의 장점은? 다중 코어 프로세서는 병렬화된 프로세스를 여러 개의 스레드로 나누어 분산처리를 하거나, 여러 개의 프로세스를 병렬적으로 실행할 때 높은 성능을 보이지만, 여전히 병렬화 되지 않은 프로세스를 순차적으로 실행하는 데에 있어서 그 성능의 한계가 존재한다. 소프트웨어 단계에서 병렬적 실행이 구현되어 있지 않은 프로세스의 경우, Amdahl’s Law 에 의해 순차적으로 실행을 할 수 밖에 없는 부분이 존재하고, 이 부분에서는 하나의 코어에서만 연산을 담당하기 때문에 많은 연산 자원들이 낭비되는 현상이 발생한다.
Back-end Fusion 구조의 장점은? 본 논문은 코어들의 back-end 부분 (execution unit, writeback 단계 등) 의 재구성을 통해 프로세서의 성능을 향상시킬 수 있는 Back-end Fusion 구조를 제안한다. 이 프로세서 구조는 성능 저하의 주 원인이 되는 back-end 의 하드웨어 자원을 필요에 따라 재구성 하는 방식으로써, 사용되지 않는 코어의 자원을 동적으로 재구성하여 순차적 실행이 필요한 부분을 더 빠르게 연산 할 수 있다. 또한, 풍부한 연산 자원들을 효율적으로 사용하기 위해 인스트럭션을 효율적으로 각 코어에 분배하는 알고리즘들을 제안한다.
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