Techniques de simulation rapide quasi cycle-précise pour l'exploration d'architectures multicoeur

Fast Cycle-approximate Simulation Techniques for Manycore Architecture Exploration

• Auteur / Autrice : Anastasiia Butko
• Direction : Gilles Sassatelli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Systèmes automatiques et micro-électroniques
• Date : Soutenance le 11/12/2015
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'informatique, de robotique et de micro-électronique (Montpellier ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Michel Robert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gilles Sassatelli, Michel Robert, Leandro Soares Indrusiak, Jean-François Méhaut, Abdoulaye Gamatié, Chris Adeniyi-Jones
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Leandro Soares Indrusiak, Jean-François Méhaut

Mots clés

Mots clés contrôlés

Calcul intensif (informatique)

Simulation

Systèmes embarqués (informatique)

Architecture des réseaux d'ordinateurs

Microprocesseurs multi-coeurs

Mots clés libres

Architecture d'ordinateurs

Hpc

Multicoeurs hétérogènes

Modeles de programmation

Simulation

Système embarqué

Computer architecture

Hpc

Heterogeneous multicore

Programming models

Simulation

Embedded system

Résumé

Le calcul intensif joue un rôle moteur de premier plan pour de nombreux domaines scientifiques. La croissance en puissance crête des supercalculateurs a évolué du téraflops au pétaflops en l'espace d'une décennie. Toutefois, la consommation d'énergie associée extrêmement élevée ainsi que le coût associé ont motivé des recherches vers des technologies plus efficaces énergétiquement comme l'utilisation de processeurs issus du domaine des systèmes embarqués à faible puissance.Selon les prévisions, les systèmes multicœurs émergents seront constitués de centaines de cœurs d'ici la fin de la décennie. Cette évolution nécessite des solutions efficaces pour l'exploration de l'espace de conception et le débogage. Les simulateurs industriels et académiques disponibles à ce jour diffèrent en termes de compromis entre vitesse de simulation et précision. Leur adoption est généralement définie par le niveau d'exploration souhaité. Les simulateurs quasi cycle-précis sont populaires et attrayants pour l'exploration architecturale. Alors que la vitesse de simulation est trivialement observée, le niveau de précision de ces simulateurs reste souvent flou. En outre, bien que permettant une évaluation flexible et détaillée de l'architecture, les simulateurs quasi cycle-précis entraînent des vitesses de simulation lentes ce qui limite leur champ d'application pour des systèmes avec des centaines de cœurs. Cela exige des approches alternatives capables de fournir des simulations rapides tout en préservant une précision élevée ce qui est cruciale pour l'exploration architecturale.Dans cette thèse, des modèles d'architectures multicœurs complexes ont été développés et évalués en utilisant des systèmes de simulation quasi cycle-précis pour l'exploration de la performance et de la puissance. Sur cette base, une approche hybride orientée traces d'exécution a été proposée pour permettre une exploration rapide, flexible et précise des architectures multicœurs à grande échelle. Sur la base de l'environnement de simulation proposé, plusieurs configurations de systèmes manycoeurs ont été construites et évaluées en évaluant le passage à l'échelle des performances. Enfin, des configurations alternatives d'architectures multicœurs hétérogènes ont été proposées et ont montré des améliorations significatives en termes d'efficacité énergétique.

Since the computational needs precipitously grow each year, HPC technology becomes a driving force for numerous scientific and consumer areas. The most powerful supercomputer has been progressing from TFLOPS to PFLOPS throughout the last ten years. However, the extremely high power consumption and therefore the high cost pushed researchers to explore more energy-efficient technologies, such as the use of low-power embedded SoCs.The evolution of emerging manycore systems, forecasted to feature hundreds of cores by the end of the decade calls for efficient solutions for the design space exploration and debugging. Available industrial and academic simulators differ in terms of simulation speed/accuracy trade-offs. Cycle-approximate simulators are popular and attractive for architectural exploration. Even though enabling flexible and detailed architecture evaluation, cycle-approximate simulators entail slow simulation speeds, thereby limiting their scope of applicability for systems with hundreds of cores. This calls for alternative approaches capable of providing high simulation speed while preserving accuracy that is crucial to architectural exploration.In this thesis, we evaluate cycle-approximate simulation techniques for fast and accurate exploration of multi- and manycore architectures. Expecting to significantly reduce simulation time still preserving the accuracy at the cycle-approximate level, we propose a hybrid trace-oriented approach to enable flexible manycore architecture simulation. We design a set of simulation techniques to overcome the main weaknesses of the trace-oriented approach. The trace synchronization technique aims to manage control and data dependencies arising from the abstraction of processor cores. The trace replication technique is proposed to simulate manycore architectures using a finite set of pre-collected traces. The computation phase scaling technique is designed to enable flexible switching between multiple processor models without considering microarchitectural difference but taking into account the computation speed ratio. Based on the proposed simulation environment, we explore several manycore architectures in terms of performance and energy-efficiency trade-offs.