面向E级超算系统的众核片上存储层次研究

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众核已经成为构建HPC超级计算机的主流微处理器架构,为HPC领域E级超算提供强大的算力. 随着众核处理器片上集成的运算核心数量不断增加,众多核心对存储资源竞争愈加剧烈,“访存墙”问题越来越突出. 众核片上存储层次是缓解“访存墙”问题,帮助HPC应用更好地发挥众核处理器的计算优势,提升实际应用性能的重要结构. 众核片上存储层次的设计对众核片上系统性能、功耗和面积有着重要影响,是众核结构设计中的重要环节,也是业界的研究热点. 由于众核芯片发展历史和片上微体系结构设计技术的不同,以及所面向的应用领域需求不同等原因,目前的HPC主流众核片上存储层次结构并不单一,但从横向比较和各处理器自身纵向发展趋势,以及从HPC与数据科学、机器学习不断融合发展带来的应用需求变化来看,SPM+Cache的混合结构最可能成为今后HPC E级超算系统众核处理器片上存储层次设计的主流选择. 在面向E级计算的软件和算法层面,开展针对众核存储层次特点的设计与优化,可以帮助HPC应用更好地发挥众核处理器的计算优势,从而有效提升实际应用性能,因此面向众核片上存储层次特点的软件及算法设计与优化技术也是业界的研究热点之一. 本文首先按照不同的组织方式将片上存储层次分为多级Cache结构、SPM结构和SPM+Cache混合结构,并总结分析了三种结构的优缺点. 分析了国际主流GPU、同构众核、国产众核等面向主流E级超算系统的众核处理器片上存储层次设计现状与发展趋势,并从众核LLC管理与缓存一致性协议、SPM空间管理与数据移动优化、SPM+Cache混合结构的全局视角优化等角度综述了国际上的存储层次设计与优化相关软硬件技术的研究现状.在此基础上,本文从软硬件及算法设计等不同角度展望了片上存储层次的未来研究方向.
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