32、多核架构建模：从原理到实践

多核架构建模：从原理到实践

1. 架构建模概述

架构建模主要有两个目标：一是引导设计空间探索，帮助架构师做出更优的设计选择；二是促进动态管理，提供工作负载特性与架构配置之间的函数关系，以实现适当的运行时硬件/软件自适应。

过去几年，多核架构作为从单/多核架构演变而来的典型计算架构，展现出了可扩展性，以支撑摩尔定律。多核架构有两种正交的扩展方式：横向扩展（scale - out）和纵向扩展（scale - up），理解这两种方式的原理对于高效利用强大的计算架构至关重要。

2. 建模方法分类

架构建模主要有两种方法：基于仿真的建模和基于回归的建模。

2.1 基于仿真的建模

• 原理 ：在给定基准测试（工作负载）的情况下，模拟详细的硬件行为，类似于“白盒”测试平台。
• 输出 ：架构和微架构事件统计的相应跟踪，如每周期指令数（IPC）、缓存未命中率、分支预测器准确率、缓存访问次数、内存带宽利用率等。
• 示例 ：SimpleScalar 用于建模超标量处理器，Wattch 用于建模处理器功耗，CACTI 用于缓存层次结构，Hotspot 用于芯片级热分布，gem5 用于系统级架构仿真等。这些模拟器通常是用 C/C++、Python 等高级编程语言混合实现的软件产品。
• 优点 ：对目标架构的建模非常准确，因为模拟器的所有特性都从其架构对应物中抽象而来，甚至可以以周期精确的方式运行实际应用场景中的工作负