流语义寄存器：一种在单发射核中实现全计算利用率的轻量级 RISC-V ISA 扩展
硬件体系结构
2020-04-02 v3 分布式、并行与集群计算
摘要
单发射处理器核非常节能，但受限于冯·诺依曼瓶颈，即必须显式地取指并发出必要的加载/存储指令以供给其 ALU/FPU。每一条用于移动数据的指令都是一个未用于计算的周期，使得归约操作中 ALU/FPU 的利用率被限制在 33%。我们提出“流语义寄存器”(Stream Semantic Registers, SSR) 以提升利用率并增加能效。SSR 是一种轻量级、非侵入式的 RISC-V ISA 扩展，它将内存访问隐式编码为寄存器读/写，从而消除了大量加载/存储指令。我们在现有多核集群的 RTL 中实现了该扩展，并针对现代 22nm 工艺综合了该设计。我们的扩展在不同内核上提供了显著的 2 倍至 5 倍架构加速，而核心面积仅增加 11%。顺序代码在单核上运行速度提升 3 倍，且集群中达到相同性能所需的核数减少 3 倍。利用率提升至接近 100% 带来了多核集群中 2 倍的能效改进。该扩展将取指次数最多减少 3.5 倍，指令缓存功耗最多降低 5.6 倍。编译器可自动将循环嵌套映射到 SSR，使改动对程序员透明。
引用
@article{arxiv.1911.08356,
title = {Stream Semantic Registers: A Lightweight RISC-V ISA Extension Achieving Full Compute Utilization in Single-Issue Cores},
author = {Fabian Schuiki and Florian Zaruba and Torsten Hoefler and Luca Benini},
journal= {arXiv preprint arXiv:1911.08356},
year = {2020}
}