Dynamisch adaptive Mikroarchitekturen mit optimierten Speicherstrukturen und variablen Befehlssätzen

Die Anforderungen, die an Mikroarchitekturen gestellt werden, steigen stetig, ein Großteil der technologischen Innovationen der letzten Jahrzehnte ist erst durch den Fortschritt der Halbleiterindustrie und den damit verbundenen Performanzsteigerungen integrierter Schaltkreise möglich geworden. Eine weitere Performanzsteigerung integrierter Schaltkreise ist durch das Erreichen von physikalischen Grenzen nicht mehr selbstverständlich. Es müssen neue Architekturen entworfen werden, um an diesem Punkt auch weiterhin die steigenden Anforderungen erfüllen zu können.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden flexible Mikroarchitekturen entworfen und evaluiert, die applikationsspezifisch verschiedene Parameter der Architektur optimieren. ... mehrDie entworfenen Mikroarchitekturen erfüllen die gestellten Anforderungen durch eine neuartige und effiziente Nutzung der vorhandenen Ressourcen. Es wurde eine inhalts-adaptive Speicherstruktur entworfen, welche für eine effiziente Verarbeitung von im Voraus analysierten Daten ausgelegt ist. Das entworfene Konzept bleibt durch die automatische Generierung flexibel einsetzbar und ist adaptierbar. Das System zeigt zudem das Potential auf, welches in einer Verschiebung der Komplexität des Anwendungsfalls zur Laufzeit auf Analysen im Vorfeld liegt. Ein weiterer Ansatz ist das Konzept einer transparenten und dynamischen Hardwarebeschleunigung eines adaptiven Prozessors. Für die Realisierung wurde ein Automatismus entworfen und dem Prozessor zur Verfügung gestellt, mit der dieser eigenständig zur Laufzeit rechenintensive Kernel detektieren und beschleunigen kann.

Auf diese Weise verbindet der adaptive Prozessor nicht nur die Generalität eines Allzweck-Prozessor mit der Flexibilität eines rekonfigurierbaren Systems, sondern ist zusätzlich in der Lage unabhängig vom Softwareentwickler oder Compiler Anwendungen zur Laufzeit zu beschleunigen. Dies führt zu einer eigenständigen Anpassungsfähigkeit des Prozessors an die Anwendung und ermöglicht somit eine Performanzsteigerung eines Kernels, welcher während der Entwicklungsphase des Prozessors nicht berücksichtigt worden ist.

Zusammenfassend kann gezeigt werden, dass mit relativ geringem Entwicklungsaufwand leistungsstarke und flexible Mikroarchitekturen entworfen und realisiert werden können, wenn ein Hauptaugenmerk auf die effiziente Nutzung der vorhandenen Ressourcen gelegt wird.

The demands laid down microarchitectures are increasing steadily, and much of the technological innovation of recent decades has only been made possible by the progress of the semiconductor industry and the accomplished increases in integrated circuit performance. A further increase of the
performance of integrated circuits is no longer self-evident, because physical limits will be reached soon. New architectures have to be designed in order to meet the increasing demands at this point.

Within the scope of this work, flexible microarchitectures were designed and evaluated, which optimize various application-specific parameters of the architecture. ... mehrThe designed microarchitectures meet the constraints by a novel and efficient usage of the available resources. A content adaptive memory structure for efficient processing of pre-analyzed data were
designed. The designed concept can be used flexibly, because of the automatic generation, in addition it is adaptable and shows the potential, which lies in a shifting of the complexity from the application at runtime to analyzes in advance. Another approach is the concept of transparent and
dynamic hardware acceleration of an adaptive processor. An automatism were designed to realize this concept and integrated into an reconfigurable processor. Thus the processor is able to detect and accelerate compute-intensive kernel independently at runtime. In this way, the adaptive processor not only combines the generosity of a general-purpose processor with the flexibility of a reconfigurable system, but is also capable of accelerating applications at runtime independently of the software developer or compiler. This leads to an independent adaptability of the processor to
the application and thus enables a performance increase of a running kernel, which was not considered during the development phase of the processor.

Overall, with a relatively low development effort, powerful and flexible microarchitectures can be designed and realized, if the focus is on the efficient usage of available resources.