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面向众核系统的层次化栅栏同步机制

计算机工程与科学 2022年第11期44卷 1901-1908页

作者：臧照虎李晨王耀华陈小文郭阳国防科技大学计算机学院湖南长沙410073

同步操作在保证多核处理器线程的数据一致性和正确性等方面起着重要作用。随着处理器内核数量的不断增加,同步操作的开销也越来越大。栅栏同步是并行应用中多核同步的重要方法之一。软件同步方法通常需要数千个周期才能完成多个内核之... 详细信息

同步操作在保证多核处理器线程的数据一致性和正确性等方面起着重要作用。随着处理器内核数量的不断增加,同步操作的开销也越来越大。栅栏同步是并行应用中多核同步的重要方法之一。软件同步方法通常需要数千个周期才能完成多个内核之间的同步,这种高延迟和串行化同步会导致多核程序性能的显著下降。相比于软件栅栏同步方法,硬件栅栏能够实现较低的同步延迟,然而传统集中式硬件栅栏的可扩展性有限,难以适应众核处理器系统的同步需求。面向众核处理器提出了一种层次化硬件栅栏机制——HSync,它由本地栅栏单元和全局栅栏单元组成,二者协调配合,以实现低硬件开销的快速同步。实验结果表明,与传统的集中式硬件栅栏相比,层次化硬件栅栏机制将众核处理器系统性能提高了1.13倍,同时网络流量减少了74%。

关键词：硬件同步栅栏众核系统并行计算

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面向众核系统的线程分组映射方法

西安交通大学学报 2016年第10期50卷 57-63页

作者：巨涛张兴军陈衡董小社西安交通大学电子与信息工程学院西安710049

为了使应用线程更合理地映射到众核处理器具体处理核上,提出一种利用不同线程内部数据局部性及不同线程间数据相关性的特点、结合具体硬件架构特征的线程分组映射方法。通过计算数据重用距离,分析应用程序线程内部数据局部性,用线程相... 详细信息

为了使应用线程更合理地映射到众核处理器具体处理核上,提出一种利用不同线程内部数据局部性及不同线程间数据相关性的特点、结合具体硬件架构特征的线程分组映射方法。通过计算数据重用距离,分析应用程序线程内部数据局部性,用线程相关性矩阵度量不同线程间的数据相关性;根据应用程序数据相关性及众核处理器硬件架构特点,通过设计数据相关性子树生成算法,将应用线程分为能反映不同线程数据访问特点的逻辑组;在线程逻辑分组的基础上,通过线程到处理核的绑定实现线程到具体处理器不同处理核硬件线程的合理映射。实验结果表明:与传统映射方法相比,该线程分组映射方法在不产生额外运行时开销的基础上,计算性能平均提高了14%,能耗降低了12%。该方法可以根据应用程序不同线程之间的数据相关性,将不同线程合理映射到具体众核处理器不同处理核上,在不引入额外运行时开销的基础上,提升众核系统的计算效能。

关键词：众核系统线程映射数据相关性数据重用距离线程逻辑分组

基于动态规划的暗硅背景下功率受限众核系统芯片功率分配方法研究

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计算机应用研究 2016年第4期33卷 1079-1082,1086页

作者：何元烈郑龙广东工业大学计算机学院广州510006

高性能众核系统芯片快速增长的功耗成为限制其性能发展的瓶颈之一。由于受到散热、封装、外部供电能力等限制,众核系统芯片的功率预算不足以支撑芯片内所有处理器核同时正常工作。针对暗硅背景下功率受限的情况,对众核系统芯片功率分配... 详细信息

高性能众核系统芯片快速增长的功耗成为限制其性能发展的瓶颈之一。由于受到散热、封装、外部供电能力等限制,众核系统芯片的功率预算不足以支撑芯片内所有处理器核同时正常工作。针对暗硅背景下功率受限的情况,对众核系统芯片功率分配进行了研究。提出一种新的能量分配算法——基于动态规划的并行分配方式,在功率受限的情况下达到最优化性能。通过实验证明,与其他三种知名的方法相比,该方法可以有效地减少30%的执行时间,同时运行开销和硬件成本也比较小,这使得该方案适用于未来的众核系统。

关键词：并行计算功率预算众核系统动态规划

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基于片上网络众核系统容错技术研究

信息技术 2013年第12期37卷 1-5,10页

作者：陈鹰翔应忍冬朱新忠李超刘佩林上海交通大学导航与位置服务重点实验室上海200240 上海航天计算机技术研究所上海200050

基于片上网络的众核系统已经广泛应用在各个领域之中。用户对系统性能和系统可靠性的需求越来越高。文中对众核系统和片上网络容错技术基础进行介绍,针对众核系统软错误和硬错误分析现有的几种典型的众核系统冗余容错方法,比较了其性能... 详细信息

基于片上网络的众核系统已经广泛应用在各个领域之中。用户对系统性能和系统可靠性的需求越来越高。文中对众核系统和片上网络容错技术基础进行介绍,针对众核系统软错误和硬错误分析现有的几种典型的众核系统冗余容错方法,比较了其性能差异。在总结了现有技术不足的基础上进一步分析了该领域未来的研究趋势。

关键词：众核系统片上网络容错技术

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众核处理器系统可靠性优化方案

计算机与现代化 2013年第10期 143-148页

作者：叶凝应忍冬朱新忠李超刘佩林上海交通大学北斗导航与位置服务上海市重点实验室上海200240 上海航天计算机技术研究所上海200050

航天器片上众核系统的安全性、可靠性面临着由太空辐射的威胁。在进行众核系统各个处理器核的任务分配时,需要进行可靠性分配和冗余度优化。本文提出一种准最佳方案,能够在相对较短的时间内,决定运算流图中各个步骤占用的冗余处理器数量... 详细信息

航天器片上众核系统的安全性、可靠性面临着由太空辐射的威胁。在进行众核系统各个处理器核的任务分配时,需要进行可靠性分配和冗余度优化。本文提出一种准最佳方案,能够在相对较短的时间内,决定运算流图中各个步骤占用的冗余处理器数量,以达到在有限处理器核数量的情况下系统的最高可靠度与可用度;提出依据任务的运算流图计算节点可靠性灵敏度的方法。通过具体的实例对本文提出的方案进行了效果的评估。

关键词：高可靠性众核系统优化分配

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近似片上网络中的性能优化与质量控制研究

近似片上网络中的性能优化与质量控制研究

作者：肖思源华南理工大学

学位级别：硕士

得益于部分应用(如多媒体处理、机器学习类等)存在容错能力,运行它们的处理器或组件能够通过减少计算代价(如降低精度或丢弃数据包等)来提高性能或降低能耗,这种新的优化思想被称为近似计算。在众核芯片中,由于片上网络对芯片整体的功... 详细信息

得益于部分应用(如多媒体处理、机器学习类等)存在容错能力,运行它们的处理器或组件能够通过减少计算代价(如降低精度或丢弃数据包等)来提高性能或降低能耗,这种新的优化思想被称为近似计算。在众核芯片中,由于片上网络对芯片整体的功耗和性能具有较大影响,因此,研究者们提出近似片上网络架构,它通过使用有损压缩器硬件将底层通信的数据包进行压缩裁剪,来减少网络负载,进而提高系统性能。在设计近似计算方法时,由于用户对应用程序的输出结果质量有一定的要求,所以在决定使用的近似等级时,应该考虑该操作将造成的质量损失以及可能得到的性能、能耗方面的收益。因此,如何构建一个精确的质量损失模型,以及如何在质量要求的约束下最优化系统性能,是近似片上网络设计中的关键问题。现有的近似片上网络研究质量控制方法的研究还存在以下问题:1)在做近似决策时,没有考虑网络运行时的全局状态,且2)没有对输出质量损失进行建模或模型不够精确,无法保证近似操作的安全性。因此,本文针对近似片上网络的质量控制方法展开研究。本文首先提出一个考虑压缩方法、应用程序、输入数据以及近似等级等因素的质量模型,又对近似片上网络的性能、通信量等进行建模。接着,本文以近似决策为手段、质量要求为约束,对近似片上网络的性能优化问题进行定义。最后,本文提出一个基于网络全局状况和误差预算的优化方法来对问题进行求解,该方法的核心思想是优先对网络拥塞进行最小化,再进一步降低数据包零负载时延。在实验评估环节中,相对于近期的两个近似片上网络工作,本文提出的方法的执行加速比可以达到29.42%。实验结果表明,本文提出的方法能够改善网络拥塞状况,且对质量损失的控制更加精准。

关键词：众核系统近似计算片上网络

片上网络中隐蔽性增强的硬件木马的攻击、检测和防御研究

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片上网络中隐蔽性增强的硬件木马的攻击、检测和防御研究

作者：张力华南理工大学

学位级别：硕士

信息安全在数据中心、服务器、集群等系统中至关重要。在这类系统中,众核系统是主要构件模块。众核系统是上述系统的基础设施,其中,片上网络(network-on-chip,No C)连接众核系统中各个处理单元和存储单元。然而,片上网络易受到硬件木马... 详细信息

信息安全在数据中心、服务器、集群等系统中至关重要。在这类系统中,众核系统是主要构件模块。众核系统是上述系统的基础设施,其中,片上网络(network-on-chip,No C)连接众核系统中各个处理单元和存储单元。然而,片上网络易受到硬件木马的攻击。恶意生产商或设计人员通过在片上网络中植入硬件木马(hardware Trojan,HT),破坏片上网络的正常功能或者窃取用户的敏感信息,对整个众核系统造成了巨大的威胁。如何保证片上网络的安全,需要从攻防两方面进行深入研究。攻击方面,需要研究高隐蔽性硬件木马攻击,能够避开现有的安全机制对片上网络造成巨大的威胁,并探索硬件木马所能达到的最大攻击性;防御方面,针对高隐蔽性硬件木马攻击,设计有效的检测和防御机制,保障众核芯片系统的安全。攻击方面,本文设计了一种隐蔽性增强的硬件木马,在片上网络中发动黑洞/深坑拒绝服务(Denial-of-Service,Do S)攻击。在黑洞攻击中,木马篡改网络中数据包,使其被丢弃或转发到其他恶意节点。在深坑攻击中,木马篡改恶意节点空闲缓冲区的数据,吸引数据包发往恶意节点并接着发动黑洞攻击。攻击造成网络中的数据包的丢失,并且把具有敏感信息的数据泄露给攻击者。同时,为了进一步提高攻击效果,本文对攻击效果和影响参数进行量化分析和建模,定义优化问题,优化攻击效果。实验结果表明木马在片上网络中造成严重的攻击效果,并且优化后的攻击效果提升了30%以上。防御方面,本文针对隐蔽性增强的硬件木马设计了一种自适应防御方法,对硬件木马进行检测并防御。检测机制使用基于检错码和纠错码的检测数据包对片上网络中的篡改行为进行检测,在统计校验结果后使用贝叶斯概率计算节点是恶意节点的概率。对于确定的恶意节点,我们使用绕路路由绕开发现的木马以达到防御的效果。同时,为了进一步提高防御效果和权衡方法的性能和开销,本文对防御效果、系统性能及影响参数进行量化分析和建模,定义优化问题,优化防御效果和系统性能。实验结果表明提出的防御方法能快速地定位木马并进行防御,使木马的攻击效果降低92%,并且优化后的检测效果提升了56%。

关键词：众核系统片上网络硬件木马

基于多目标优化的片上存储访问控制器布局方法研究

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基于多目标优化的片上存储访问控制器布局方法研究

作者：李林峰西安电子科技大学

学位级别：硕士

在大数据时代下,计算机系统所需处理的数据量爆炸式增长,片上网络和众核系统的逐渐成熟一定程度上缓解了系统遇到性能瓶颈的问题。但随着众核系统在计算力、通信力方面的提升,这些核心在处理数据时访问内存的频率也会增加,若不优化与内... 详细信息

在大数据时代下,计算机系统所需处理的数据量爆炸式增长,片上网络和众核系统的逐渐成熟一定程度上缓解了系统遇到性能瓶颈的问题。但随着众核系统在计算力、通信力方面的提升,这些核心在处理数据时访问内存的频率也会增加,若不优化与内存访问服务相关的系统架构,则内存带宽无法匹配处理器核巨大的数据流通需求。增加片上网络中存储访问控制器,即内存控制器的数量可以看做增加带宽的一种方法。但随着核心逐渐增多,在满足处理器核快速增长的引脚需求前提下,可分配给内存控制器的引脚资源不足,导致内存控制器数量远少于处理器核数量。内存控制器在片上的位置不同,将影响流量在片上的分布,进而对系统时延性能产生影响。因此探讨内存控制器在片上网络中的最优布局,是本论文工作的重点。现有的研究方案存在一些不足之处,有的方案将仿真融入对优化目标的评价中,在迭代时造成很高的时间复杂度,扩展性很低;有的方案用多目标转单目标优化对问题求解,大大降低了解的多样性。内存控制器布局优化问题适合用多目标优化方法求解,但既往研究因难以提供合理的最优解筛选方案而回避了多目标优化。本文克服这些问题,将内存控制器布局问题中的网络时延做为优化目标,于国际上首次在存控布局优化领域以多目标优化为框架,对问题建模并搜索最优解集,保证最优解的完整性。集成型内存控制器结构和独立型内存控制器结构是内存控制器在片上网络中存在的两种不同形式,文章分别对这两种结构进行建模并优化。针对最小化网络跳数和最小化网络拥塞度,本文设计三个目标函数并对各目标函数进行互斥性验证,通过改进NSGA-II算法,求得多种网络规模、网络配置下的最优解集。对应这些最优解集,本文设计出最优解的筛选方案,先验证了最优布局与流量模式间的紧密关系,不同流量模式对应不同的最优布局,接着提出注入率分段法和黄金分割法,从最优解集中筛选出各应用所对应的最优布局。结合仿真,文章分析了各种布局方式下集成型内存控制器结构和独立型内存控制器结构的性能区别,分析了所得出的最优布局相比于传统布局的优越性,同时解释了以往按照理想吞吐量优化出的最优布局的缺陷。本文实际搭建了一种针对内存控制器布局问题的优化框架,该方法具有良好的扩展性。

关键词：片上网络众核系统内存控制器多目标优化访存通信

片上网络系统中感知通信和温度的任务映射算法研究

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片上网络系统中感知通信和温度的任务映射算法研究

作者：李冰华南理工大学

学位级别：硕士

随着应用性能需求的不断增长和芯片集成度的提高,众核系统被广泛用于服务器,数据中心,集群等系统,以提供高吞吐率的计算服务。在众核系统上进行任务映射是指为应用挑选执行指令的核。任务映射过程对系统性能有关键影响,该方向的研究素... 详细信息

随着应用性能需求的不断增长和芯片集成度的提高,众核系统被广泛用于服务器,数据中心,集群等系统,以提供高吞吐率的计算服务。在众核系统上进行任务映射是指为应用挑选执行指令的核。任务映射过程对系统性能有关键影响,该方向的研究素来是众核系统研究的热门方向。由于芯片集成度的提高,芯片的功率密度相应增大。温度约束成为众核系统研究的重要约束。如何在不违反温度约束的前提下进行任务映射和功率分配使得系统性能最优成为重要的研究方向。在服务器等实时响应众核系统中常有核利用率低于100%的情况出现。在这类系统中,可以通过在功率较大的核周围放置关闭的核来降低功率密度。针对此类系统,如何在温度约束下为应用合理分配这些关闭的核以提升系统性能成为了挑战。此外,三维集成众核系统因其具有更高的集成度逐渐成为众核芯片的发展趋势。然而高集成度导致三维集成众核系统上的温度问题更加突出。与二维众核系统相比,三维集成众核系统具有以下特性:1)垂直方向的链路具有更高的通信带宽;2)由于距离散热器距离不同,系统每一层的功率密度不同,靠近散热器的层散热更快,可以调频到更高的频率。因此,对于通信密集型的应用,应当充分利用特性1,为其分配更多的TSV垂直链路,可以有效缩短任务间通信距离,减少任务间通信时间。对于计算密集型的应用,应当充分利用特性2,分配更多靠近散热器的核,可以提高核的工作频率,减少任务的计算时间。本文观察到,应用具有不同的性能需求。部分应用的通信需求较大,而另一部分应用的计算需求较大。基于此,为了应对以上挑战,本文进行了以下研究:1)针对核利用率常低于100%的众核系统,提出了一个在温度约束下为不同资源需求的应用分配核资源的任务映射算法,以优化系统吞吐量。实验表明,与两种现有的实时资源管理方法相比,本文算法可以将系统吞吐量提高多达50%,有效地提高了众核系统运行应用的吞吐率。2)针对采用硅通孔技术的三维集成众核系统,本文提出了一个使用寻找最优应用映射区域来满足其通信或计算需求的任务映射算法。实验表明,与两种现有的针对三维集成众核系统任务映射算法相比,本文提出的算法可以将应用运行时间减少48%,有效地减少了三维集成众核系统运行应用的时间。3)设计并实现了一个任务映射可视化工具,以帮助算法设计人员进行任务映射算法的验证、优化和选择。

关键词：众核系统片上网络任务映射