Actas JP2011 - Universidad de La Laguna

Actas XXII Jornadas de Paralelismo (JP2011) , La Laguna, Tenerife, 7-9 septiembre 2011Directorio SCIArbol Arbol basado en proximidadH H H HFig. 1. Información de coherencia en directorio, SCI, árbol y árbol basado en proximidad. L1s con copia del bloque mostradasen gris. Home L2 señalado con una H. Nótese como el árbol basado en proximidad es el único que reduce la distancia entrenodos contiguos.II. Arquitectura Base.Este trabajo utiliza una arquitectura tiled-CMP.En ella, el chip se forma mediante replicación de tiles.Cada tile contiene un core, una caché L1 privaday un banco de la caché L2 compartida. Los bloquesde memoria se mapean a los bancos de L2 usandovarios bits de la dirección de bloque. La L2 a la queun bloque se mapea se llama “home L2”, y contienela información de directorio del bloque si existen copiasdel mismo en las L1s. Utilizamos un esquema deestados MOESI para la coherencia de los bloques dememoria. Los tiles se comunican mediante interfacesde red formando una malla 2D. No obstante, nuestroprotocolo puede aplicarse a cualquier otra arquitecturade memoria compartida.III. Árbol Basado en Proximidad yPredicciónEl árbol binario que contiene los compartidores deun bloque parte del nodo home L2, que almacenaun puntero a la L1 que es raíz del árbol. Las cachésL1 tienen tres punteros asociados a cada entrada decaché: uno para apuntar al nodo padre (puede ser elhome L2 u otra L1) y el resto para apuntar a hastados hijos (que serán cachés L1). Inicialmente noexiste árbol para el bloque. La primera caché L1 queaccede al bloque envía su petición al home L2 y pasaa ser el nodo raíz del árbol. Cuando aparece unnuevo compartidor (una L1 que envía una peticiónde lectura al home L2), la petición se reenvía a laraíz, que provee el dato y almacena la identidad delnuevo compartidor, el cual almacena la identidad delnodo que le contesta en el puntero reservado para elnodo padre en su entrada de caché. Al surgir máscompartidores se llenan los punteros del nodo raíz,y entonces es necesario recorrer el árbol hacia abajo,eligiendo ramas aleatoriamente, hasta encontrarun puntero libre. Cada mensaje enviado hacia abajoen el árbol es asentido por su receptor para evitarcarreras de coherencia. El peticionario además debeesperar a recibir la identidad de su padre (el nodo enel que se encontró un puntero libre) antes de poderreemplazar el bloque. En cualquier caso, la raíz proveeel dato para mantener corto el camino crítico delos fallos de lectura.Al producirse un reemplazo no invalidamos elsubárbol bajo el nodo que reemplaza, sino que utilizamosun mecanismo de reemplazo que reestructurael árbol. En él participan un abuelo, un padre y hastados hijos del padre. Con un intercambio de 7 mensajesse reestructura el árbol de modo que el enlaceentre el abuelo y el padre se sustituye por un enlaceentre el abuelo y uno de sus nietos, y el otro nieto pasaa formar parte del subárbol de su hermano (lo quepuede implicar más mensajes para poder acomodaral hermano en un puntero libre). Este reemplazo esmás costoso que un reemplazo en SCI, pero evita invalidartodo el subárbol bajo el nodo que reemplaza,y previene condiciones de carrera.El hecho de tener la información de coherencia distribuidaen un árbol presenta oportunidades para optimizacionesque no se pueden realizar en enfoquesque mantienen la información de coherencia de unbloque en un único punto. A continuación veremoscómo aprovechar el árbol para enlazar nodos cercanosy para obtener bloques cercanos, y las ventajasque esto nos aporta.A. Proximidad en el ÁrbolUn árbol distribuido en el chip puede crearse demanera que cada par de nodos contiguos se encuentrenfísicamente próximos en el chip. Esto trae importantesventajas en cuanto a tráfico cuando se realizancomunicaciones entre nodos contiguos del árbol,como puede ser el caso de una escritura de un bloqueque debe recorrer el árbol completamente parainvalidar a todos los compartidores, o a la hora derealizar un reemplazo.Hemos optado por una opción sencilla para creary gestionar el árbol que consiste en que, cuando unnodo no tiene punteros libres para almacenar a unnuevo compartidor, envía la información del nuevocompartidor al hijo que se encuentre más cerca físicamentedel nuevo compartidor. Esto hace que, conformebajamos por las ramas del árbol, vayamos encontrandonodos más cercanos entre sí. Un ejemplode la estructura de la información de coherencia enun directorio, en SCI, en un árbol y en nuestro árbolbasado en proximidad puede verse en la Figura 1.Es posible balancear el árbol cuando se produceninserciones o reemplazos para mantener distanciasmínimas entre nodos, pero creemos que las gananciasserán mínimas en comparación con el incremento enla complejidad de la gestión del árbol. Es por elloque hemos optado por no realizar balanceo de ningúntipo.B. PredicciónEl uso de predicción de proveedor ante un fallode lectura en caché puede aprovecharse de la proximidadfísica de los procesadores en el árbol. Unprocesador puede usar a su antiguo padre en el árbolcomo proveedor si es que el padre sigue teniendo unacopia válida del bloque. Como el padre se encuentrafísicamente próximo en el árbol gracias a nuestromecanismo de inserción, el fallo de caché se resolverácon menor latencia y generando menos tráficoque si tuviésemos que acceder al nodo home, que pue-JP2011-240