超高効率実行を実現する距離指定型命令セットアーキテクチャの研究

实现超高效执行的特定距离指令集架构研究

基本信息

批准号：
20J22752
负责人：
小泉透
金额：
$ 2.18万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-24 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

2022年度の研究成果は大きく分けて、(1)最適化コンパイラの機能向上とそれを用いた評価、(2)呼び出し規約の最適化、(3)命令間距離指定型命令セットにおける命令数増加下限の解析、(4)レジスタ間距離指定型命令セットのハードウェアの評価、の四点である。(1)距離指定型命令セットアーキテクチャの性能を測定するため、C言語で書かれたベンチマークプログラムをコンパイルできるように最適化コンパイラの開発を進めた。これにより、標準ベンチマークであるSPECに含まれるC言語で書かれたベンチマークプログラム4つを動かすことに成功した。これを用いてレジスタ間距離指定型命令セットアーキテクチャの性能を測定したところ、命令間距離指定型命令セットを用いた場合と比べて、性能を落とさずに命令数を削減できることが判明した。(2)レジスタ間距離指定型命令セット向けに呼び出し規約を最適化した。レジスタ間距離指定型命令セットでは、命令間距離指定型命令セットの場合と異なり、ノーコストで呼び出し先保存レジスタを実現することが可能な場合がある。これを意識した呼び出し規約を策定した。(3)命令間距離指定型命令セットにおける、RISC命令セットと比較した場合の命令数増加の下限を評価した。この目的には、標準ベンチマークであるSPEC2006/2017に含まれる49本のベンチマーク全てを用いた。その結果、平均で22%の命令数増加が理論的に不可避であることを示した。また、その原因を追究した結果、レジスタの寿命や参照回数は冪分布に従うことが判明した。(4)レジスタ間距離指定型命令セットのソフトコアをハードウェア記述言語で作成し、特有のハードウェア（物理レジスタ割当ステージ）のスケーラビリティを評価した。その結果、物理レジスタ割当ステージのスケーラビリティは高く、また動作周波数のボトルネックとなっていないことが判明した。

2022财年的研究成果大致可分为：（1）优化编译器及其评估的功能改进，（2）调用约定的优化，以及（3）指令集中指令数量增加的下限以及指令距离规范(4) 指定寄存器之间距离的指令集的硬件评估。 (1)为了测量特定距离指令集架构的性能，我们开发了一个优化编译器，可以编译用C语言编写的基准程序。结果，他们成功运行了标准基准测试 SPEC 中包含的四个用 C 语言编写的基准程序。使用此来测量指定寄存器之间的距离的指令集架构的性能，发现与使用指定指令之间的距离的指令集相比，可以在不降低性能的情况下减少指令数量。 (2) 针对指定寄存器之间距离的指令集优化了调用约定。在指定寄存器之间的距离的指令集中，与指定指令之间的距离的指令集的情况不同，可以免费实现被调用者保存寄存器。考虑到这一点，我们制定了调用约定。 (3)与RISC指令集相比，我们评估了具有指令距离规范的指令集中指令数量增加的下限。为此，我们使用了标准基准 SPEC2006/2017 中包含的全部 49 个基准。结果表明，指令数量平均增加22%在理论上是不可避免的。此外，调查原因的结果发现，寄存器的寿命和引用次数遵循功率分布。（4）我们创建了一个软核，其指令集使用硬件描述语言指定寄存器之间的距离，并评估了特定硬件（物理寄存器分配阶段）的可扩展性。结果发现，物理寄存器分配阶段的可扩展性很高，并且不是运行频率的瓶颈。