Simulation précise du mouvement des données au sein des systèmes mobiles multicœurs moderne

Accurate Simulation of Data Movement in Modern Mobile Multicore Systems

• Auteur / Autrice : Quentin Huppert
• Direction : Lionel Torres
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : SYAM - Systèmes Automatiques et Micro-Électroniques
• Date : Soutenance le 06/12/2022
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• 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 : Alix Munier-Kordon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lionel Torres, Alix Munier-Kordon, Frédéric Pétrot, Olivier Sentieys, Francky Catthoor, David Novo
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Frédéric Pétrot, Olivier Sentieys

Mots clés

Mots clés contrôlés

Étalonnage en énergie

Hiérarchie de mémoire (informatique)

Architecture -- Informatique

Mots clés libres

Système informatique

Simulation

Memoire

Calibration

Computer system

Simulation

Memory

Calibration

Résumé

Les architectures de systèmes informatiques sont devenues de plus en plus complexes. Dans le but d'améliorer les performances et de réduire la consommation d'énergie, elles comprennent plusieurs CPU, des GPU, des accélérateurs ainsi que des hiérarchies de mémoire sophistiquées. De ce fait, les simulateurs de systèmes informatiques jouent un rôle important dans la communauté des chercheurs. Ils permettent d'évaluer de nouvelles idées d’architecture, de façons plus rapides, tout en évitant les coûts des processus de fabrication.Les architectures simulées sont souvent comparées à des architectures réelles de l'état de l'art. Ainsi, la pertinence des résultats obtenus depuis un simulateur est directement liée à la fidélité du modèle de référence. Nous observons qu'il n'est pas simple d'avoir des modèles de référence solides, ceci en raison du manque d'informations techniques détaillées des architectures commerciales. Dans le cadre de cette thèse, nous proposons une méthodologie systématique pour extraire des informations depuis des architectures commerciales réelles. Ces informations sont ensuite utilisées afin de calibrer les modèles de référence correspondants. Cette méthodologie est basée sur le design de microbenchmarks et l’utilisation de compteurs de performance qui permettent une mesure non-intrusive du système. Nous appliquons cette méthodologie sur deux composants clés de l'architecture.Dans un premier temps, nous ciblons les différents niveaux de la hiérarchie de la mémoire. Nous développons des microbenchmarks qui permettent d’extraire une signature caractéristique du système de mémoire. Cette signature contient des valeurs de paramètres importantes que nous utilisons pour la calibration du modèle de référence. Nous implémentons la méthodologie sur le simulateur gem5 et un processeur ARM, le Cortex-A53. Puis, nous évaluons la méthodologie avec des benchmarks de la suite SPEC CPU2006. Ces derniers sont exécutés sur l’architecture ARM et simulés sur gem5 en utilisant notre configuration calibrée. Les résultats montrent que notre calibration réduit l'erreur de simulation moyenne et maximale de 43% et 62%, respectivement.Dans un second temps, nous appliquons la méthodologie sur le data prefetcher, qui est un composant clé du système de mémoire. Celui-ci pouvant générer des demandes de mémoire en parallèle du cœur du processeur. Cette nouvelle instance de notre méthodologie donne lieu à Pref-X, un framework permettant l'analyse fonctionnelle des data prefetchers présents dans les coeurs in-order. Pour cela, nous utilisons des séquences de requêtes mémoire pour stresser le data prefetcher et exposer les changements dans le contenu de la cache L1. A partir de ces changements, Pref-X en déduit les spécifications fonctionnelles du data prefetcher qui permettent la construction un modèle fonctionnel. Nous implementons Pref-X à deux processeurs ARM in-order, le Cortex-A7 et le Cortex-A53. Nous évaluons les modèles fonctionnels résultants avec des traces mémoire extraites de la suite SPEC CPU2006. Nous exécutons les traces à la fois sur les CPU commerciaux et sur les modèles fonctionnels produits par notre framework. Les résultats montrent en moyenne une précision des modèles de 99,8% pour le Cortex-A7 et de 96,8% pour le Cortex-A53.Cette thèse permet de comprendre en détail comment l’utilisation de microbenchmarks permet une amélioration de la précision des modèles de référence au sein des simulateurs. Aussi, nous pensons cette méthodologie est applicable à d'autres éléments de l’architecture, ceci pouvant faire l’objet de travaux futurs. Finalement, ces travaux contribuent à la communauté scientifique en permettant l’utilisation de modèles de référence d’architecture commerciale mieux calibrés.

Computer system architectures have become increasingly complex. Pushing for better performance and lower energy consumption, they include multiple cores, GPUs, accelerators, and sophisticated memory hierarchies. In this context, computer system simulators play a significant role in the research architecture community. They allow the evaluation of new architecture ideas while being quicker and avoiding the huge costs of manufacturing processes.The simulated architectures are often compared with real state-of-the-art baseline architectures. Thus, the relevance of the conclusions from such simulators is directly related to the faithfulness of the baseline model. We observe that having strong baselines is not a simple task due to the lack of detailed technical information about commercial architectures. In this thesis, we propose a systematic methodology to extract information from real commercial architectures for the calibration of their corresponding simulation models. This methodology is based on handcrafted microbenchmarks that leverage hardware performance counters for non-intrusive monitoring. We instantiate this methodology on two key components of the architecture.First, we target the different levels of the memory hierarchy. We design the microbenchmarks to produce a signature of the memory system levels. The signature contains parameter values that are important to calibrate a simulation model of the real architecture. We implement the methodology with the gem5 simulator and an ARM Cortex-A53 CPU. Then, we evaluate our methodology with benchmarks from the SPEC CPU2006 suite. The benchmarks are executed on the commercial CPU and gem5 using our calibrated configuration. The results show that our calibration reduces the average and maximum simulation error by 43% and 62%, respectively.Second, we instantiate the methodology on the data prefetching engine, which is a key component of the memory system that can generate memory requests in parallel to the core. This new instantiation of our methodology results in Pref-X, a framework that enables functional analysis of data prefetching engines in in-order cores. For that, the framework uses memory request sequences to stress the L1 data cache and expose the changes in L1 cache content. From those changes, Pref-X deduces the functional specifications of the data prefetching engine. Finally, we use the extracted information to build a functional model of the prefetching engine. We apply Pref-X to two in-order ARM CPUs, the Cortex-A7 and the Cortex-A53, and evaluate its accuracy with memory traces extracted from the SPEC CPU2006 suite. We execute the traces on both the commercial CPUs and their corresponding functional models produced by our framework. The results show an average prefetching accuracy of 99.8% and 96.9% for the Cortex-A7 and the Cortex-A53, respectively.This thesis builds a detailed understanding of how microbenchmarks can be used to improve the modeling accuracy of existing architectures. We believe our methodology has the potential to be applied to other components beyond the ones covered in this manuscript, but that is part of future work. We hope our results will enable the community to use better-calibrated baseline architectures in their simulations.