Cache結構的低功耗可重構技術(shù)研究

1 Cache低功耗相關(guān)研究
Cache平均訪(fǎng)問(wèn)功耗是Cache性能表現的一個(gè)重要因素。Cache平均訪(fǎng)問(wèn)功耗由Cache命中時(shí)的訪(fǎng)問(wèn)功耗、失效時(shí)的訪(fǎng)問(wèn)功耗和失效率三者決定。失效時(shí)的訪(fǎng)問(wèn)功耗又包括兩部分：一部分是Cache失效時(shí)Cache電路的功耗，另一部分則是下一級存儲系統的訪(fǎng)問(wèn)功耗。因此降低Cache功耗可以從三個(gè)方面考慮：一是降低Cache的失效率，二是降低Cache訪(fǎng)問(wèn)能量，三是降低主存訪(fǎng)問(wèn)能量。
為了達到低功耗的目的，對Cache結構做了一些改進(jìn)：Phase―lookup Cache結構，應用兩級查詢(xún)的機制，即先訪(fǎng)問(wèn)tag array，只有命中的那一路data才會(huì )在第二相去訪(fǎng)問(wèn)，這樣就降低了組相聯(lián)Cache中數據array部分的功耗，但增加了Cache訪(fǎng)問(wèn)的時(shí)間；Way predictive組相聯(lián)Cache結構，在默認情況下只訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)tag array和一個(gè)data array，只有在默認訪(fǎng)問(wèn)失效時(shí)才會(huì )去訪(fǎng)問(wèn)其他的tag和data array，這種方法也以增加Cache訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間的代價(jià)來(lái)?yè)Q取低功耗；偽組相聯(lián)Cache結構，是具有多個(gè)命中時(shí)間的Cache結構，Cache中的每一路可以被順序讀取，從而可以比傳統的同時(shí)讀取結構節省一部分功耗；另外還有基于壓縮方法方面的研究，針對高頻值的局部性，在讀寫(xiě)Cache的過(guò)程中，對高頻出現的數據值進(jìn)行壓縮存儲，用較少存儲空間保存編碼后的數據，在一定程度上減少了Cache的訪(fǎng)問(wèn)功耗。
低功耗可重構的Cache研究在最近幾年得到關(guān)注，通過(guò)改變Cache的結構參數，不管是用硬件實(shí)現還是用軟件實(shí)現，針對不同的程序來(lái)配置優(yōu)化的Cache結構，盡可能地關(guān)閉不使用的Cache，兼顧了系統的性能和功耗。Cache的結構參數很多，主要的參數有容量大小、相聯(lián)度、塊大小、替換算法、寫(xiě)回策略等。一般而言，系統中的Cache替換算法和寫(xiě)策略是固定的，如果改變也可以在軟件層面上實(shí)現。所以主要關(guān)注Cache的硬件結構是否可重構，僅研究其中幾個(gè)參數(如Cache容量、塊大小和相聯(lián)度)對訪(fǎng)問(wèn)功耗的影響。在設計芯片之前可以使用CAD工具來(lái)確定對命中時(shí)間和功耗的影響。CACTI程序是一個(gè)可以評估CMOS微處理器各種Cache結構訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間和功耗的CAD工具。對于一個(gè)給定的最小特征值，可以改變Cache容量、相聯(lián)度和讀／寫(xiě)端口的數目，以估計各種情況的Cache命中時(shí)間和功耗。可重構Cache結構需要綜合考慮Cache的命中率、平均訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間和訪(fǎng)問(wèn)能量等性能，合理選擇Cache的配置參數。

2 可重構Cache的體系結構
要實(shí)現可重構Cache，首先Cache的結構要支持運行過(guò)程中的動(dòng)態(tài)劃分，其次要有檢測Cache命中率的硬件或者軟件機制，并且有相應的動(dòng)態(tài)配置算法。
2．1 可重構Cache系統設計
文獻提出了一種可重構的數據Cache結構。該Cache的數據區被平均分為4個(gè)子分區(subarray)，每個(gè)子分區又分為4組。在Cache訪(fǎng)問(wèn)時(shí)，只有一個(gè)子分區打開(kāi)，其他子分區的線(xiàn)路不被激活，從而節省了功耗。圖1給出了整個(gè)Cache體系結構及功能模塊。

與傳統Cache結構相比，圖1中增加了Cache配置動(dòng)態(tài)選擇器(Cache Configuration Dynamic Selector， CCDS)，CCDS用來(lái)更新內部狀態(tài)機，并決定合適的Cache配置。通過(guò)配置CCDS，可以使整個(gè)子陣列無(wú)效，或者使有效子陣列中的某些路無(wú)效。對于無(wú)效的子陣列或者路，局部自選線(xiàn)(Local Word Line)、預充電(Precharge)和讀出放大器(Sense Amplifier)都無(wú)激勵。通過(guò)這些改進(jìn)使得傳統的固定劃分的Cache具備了動(dòng)態(tài)配置能力。
改進(jìn)后的Cache外在表現為一個(gè)虛擬的兩級Cache：Ll／L2。這種分級方式同傳統的L1／L2兩級Cache結構不同，L1 Cache由激活的不同子分區以及子分區內不同的路數構成，未激活的部分為L(cháng)2，在L1未命中時(shí)激活以進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，L1和L2在物理實(shí)現上表現為同一級。Cache的地址劃分仍為三部分：標志位、索引位和塊內地址。圖2給出了Cache的地址劃分情況，可分為塊地址(Block Address)和塊內偏移(Block offset)。塊地址可以進(jìn)一步分為標志字段(Tag)和索引字段(Index)。其中Tag的后兩位SS用來(lái)做子分區的選擇位。訪(fǎng)問(wèn)Cache時(shí)，首先訪(fǎng)問(wèn)L1，當L1命中時(shí)就直接返回，只有在L1訪(fǎng)問(wèn)失效時(shí)才會(huì )將所有數據區打開(kāi)。對不同的應用程序，L1和L2大小的劃分不同，其訪(fǎng)閩時(shí)間和運行功耗也會(huì )有較大差異。