EOLE: Paving the Way for an Effective Implementation of Value Prediction
Résumé
Even in the multicore era, there is a continuous demand to increase the performance of single-threaded applications. However, the conventional path of increasing both issue width and instruction window size inevitably leads to the power wall. Value prediction (VP) was proposed in the mid 90's as an alternative path to further enhance the performance of wide-issue superscalar processors. Still, it was considered up to recently that a performance-effective implementation of Value Prediction would add tremendous complexity and power consumption in almost every stage of the pipeline. Nonetheless, recent work in the field of VP has shown that given an efficient confidence estimation mechanism, prediction validation could be removed from the out-of-order engine and delayed until commit time. As a result, recovering from mispredictions via selective replay can be avoided and a much simpler mechanism - pipeline squashing - can be used, while the out-of-order engine remains mostly unmodified. Nonetheless, VP and validation at commit time entail strong constraints on the Physical Register File. Write ports are needed to write predicted results and read ports are needed in order to validate them at commit time, potentially rendering the overall number of ports unbearable. Fortunately, VP also implies that many single-cycle ALU instructions have their operands predicted in the front-end and can be executed in-place and in-order. Similarly, the execution of single-cycle instructions whose result has been predicted can be delayed until just before commit since predictions are validated at commit time. Consequently, a significant number of instructions - 10% to 60% in our experiments - can bypass the out-of-order engine, allowing the reduction of the issue width, which is a major contributor to both out-of-order engine complexity and register file port requirement. This reduction paves the way for a truly practical implementation of Value Prediction. Furthermore, since Value Prediction in itself usually increases performance, our resulting {Early | Out-of-Order | Late} Execution architecture (EOLE), is often more efficient than a baseline VP-augmented 6-issue superscalar while having a significantly narrower 4-issue out-of-order engine.
Même à l'ère des multicoeurs, il existe une demande continue pour l'augmentation de la performance sur les applications mono-threads. Cependant, la solution conventionnelle consistant à augmenter la largeur d'exécution ainsi que la taille de la fenêtre d'instructions se heurte inévitablement au mur de la consommation. La Prédiction de Valeurs (VP) a été proposée dans les années 90 comme une alternative permettant d'améliorer la performance des processeurs superscalaires. Cela étant, une implémentation intéressante du point de vue cout-efficacité était jusqu'ici considérée comme impossible à cause de la complexité ainsi que de la consommation induite. Cependant, des travaux récents dans le domaine de la Prédiction de Valeurs ont montrés qu'avec un mécanisme d'estimation de la confiance efficace, la validation d'une prédiction pouvait être repoussée au moment ou l'instruction est retirée du pipeline. Conséquemment, récupérer d'une mauvaise prédiction via une ré-exécution sélective peut-être évité et un mécanisme bien plus simple - vidage du pipeline - peut-être utilisé. Toute la partie du processeur chargée d'exécuter les instructions dans le désordre n'est donc pas modifiée. Néanmoins, VP et la validation au retirement impliquent des contraintes fortes sur le fichier de registres. Des ports d'écriture sont requis pour écrire les prédictions et des ports de lecture sont requis pour valider les prédictions au retirement. Heureusement, VP implique aussi que beaucoup d'instructions simples ont leurs opérandes disponibles tôt dans le pipeline et peuvent être exécutées dans l'ordre. De façon similaire, l'exécution des instructions simples ayant été prédites peut être reportée aux derniers étages du pipeline puisque les prédictions sont validées au retirement. Au final, une proportion significative des instructions - 10% to 60% dans notre étude - peuvent contourner le moteur d'exécution dans le désordre, ce qui permet de réduire la largeur d'exécution, qui contribue grandement à la complexité du processeur. Cette réduction ouvre la porte à une implémentation réaliste de la Prédiction de Valeurs. De plus, puisque la VP augmente la performance, notre architecture {Early | Out-of-Order | Late} Execution architecture (EOLE), est souvent plus performante qu'une architecture superscalaire implémentant la VP tout en ayant un moteur d'exécution dans le désordre bien moins complexe.
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