Bounding memory access interferences on the Kalray MPPA3 compute cluster
Analyse d’interférences mémoires sur les clusters de calcul du pluri-coeurs Kalray MPPA3
Résumé
The Kalray MPPA3 Coolidge many-core processor is one of the few off-the-shelf high-performance processors amenable to full-fledged static timing analysis. And yet, even on this processor, providing tight execution time upper bounds may prove difficult. In this paper, we consider the sub-problem of bounding the timing overhead due to memory access interferences inside one MPPA3 shared memory compute cluster. This includes interferences between computing cores and interferences between the instruction and data accesses of a given core. We start with a detailed analysis of the MPPA3 compute cluster, with emphasis on three key components: the Prefetch Buffer (PFB), which performs speculative instruction loads, the fixed-priority (FP) arbiter between instruction and data accesses of a core, whose behavior is highly dependent (in the worst case) on interferences from other cores, and the SAP (bursty Round Robin) arbiters guarding access to memory banks. We provide a full-fledged interference analysis covering both levels. This analysis is rooted in a novel modeling of memory access patterns, which describes their worst- case and best-case burstiness, a key factor influencing the MPPA3 arbitration. We evaluate our interference model on multiple applications, ranging from real-life avionics code specified in SCADE to linear algebra code. We also suggests methods for reducing execution time and improving analysis precision by means of code generation.
Le pluri-cœurs Kalray MPPA3 Coolidge est un des seuls processeurs haute-performance sur étagère à permettre le calcul de bornes statiques (non-probabilistes) sur le temps d’exécution. Mais même sur ce processeur le calcul de bornes serrées est difficile. Dans cet article, nous traitons le sous-problème du calcul de bornes supérieures sur les interférences dues aux accès concurrents aux bancs de mémoire partagée. De plus, notre analyse se concentre sur un seul cluster de calcul de l’architecture-cible, et s’intéresse seulement aux interférences entre cœurs de calcul du cluster et aux interférences entre accès instruction et données d’un seul cœur. Nous commençons par une analyse détaillée du cluster de calcul MPPA3, mettant l’accent sur trois composants-clefs: le tampon de préchargement anticipé (Prefetch Buffer, ou PFB) qui réalise des préchargements de code spéculatifs, l’arbitre à priorité fixe (FP) entre les accès au code et aux données d’un même cœur de calcul, dont le comportement est dépendant (au pire cas) des interférences d’autres cœurs, et les arbitres SAP (Round Robin avec support pour les rafales) qui contrôlent l’accès aux bancs de mémoire partagée. Nous développons une analyse d’interférences complète par rapport au domaine choisi. Notre analyse est fondée sur une nouvelle modélisation des motifs d’accès à la mémoire, qui permet la représentation du groupage des accès en rafales (dans le pire et dans le meilleur des cas). Ce facteur a une influence très forte sur l’arbitrage MPPA. Nous évaluons notre approche d’analyse d’interférences sur plusieurs applications allant de tâches avioniques appartenant à une application de production spécifiée en SCADE, et jusqu’à du code d’algèbre linéaire représentatif pour les applications de type “jumeau numérique” ou “machine learning”. Nous suggérons aussi des méthodes permettant de réduire le temps d’exécution et d’améliorer la précision de l’analyse par des choix de génération de code.
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