アプリケーションの動的特性に適応可能な高速キャッシュアルゴリズムの開発

• Project/Area Number: 24K14872
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 60040:Computer system-related
• Research Institution: Yamagata University
• Principal Investigator: 多田 十兵衛 山形大学, 大学院理工学研究科, 准教授 (30361273)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 江川 隆輔 東京電機大学, 工学部, 教授 (80374990)
• Project Period (FY): 2024-04-01 – 2027-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2026: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2025: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2024: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
• Keywords: キャッシュメモリ / キャッシュ置換アルゴリズム / プロセッサ / キャッシュアルゴリズム

Outline of Research at the Start

本研究課題では、まず、研究代表者・分担者のこれまでの研究を推し進め、優先度情報の大域的な変化からアプリケーションの動的なメモリアクセス特性を検出する手法を確立する。次に、検出したメモリアクセス特性から実行中のアプリケーションに適した優先度の昇降方針を生成する手法を検討する。最後に、提案キャッシュアルゴリズムをプロセッサ上に実装し、実際にアプリケーションを動作させることで評価を行う。

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、アプリケーションの特性に動的に適応可能な高速キャッシュアルゴリズムの開発である。２０２４年度は、アプリケーションの動的なメモリアクセス特性を解析するための動的キャッシュプロファイラの設計および実装を行った。設計した動的キャッシュプロファイラは、プロセッサ内に一定区間ごとのキャッシュミス数を保存するためのレジスタを新たに設けており、プロセッサに新規に追加した命令によりレジスタ内の値を出力することができる。これにより、実プロセッサにおいて一定のキャッシュアクセスごとのキャッシュミス数を解析することが可能となる。設計した動的キャッシュプロファイラをＲＩＳＣ－Ｖプロセッサの一つであるＣＶＡ６に実装し、ＯＳを起動した状態の実環境で各種アプリケーションを実行し、動的なメモリアクセス特性の解析を行った。その結果、アプリケーションごとにキャッシュミス数の推移に特徴があることが確認された。一例として、一定のキャッシュアクセス数毎に急激なキャッシュミス数の増加が起こり、その後すぐに収束する様子が観測された。この知見は、新たなキャッシュ置換アルゴリズムの開発に繋がるものである。この一定のキャッシュアクセス数ごとのキャッシュミス数の変化を予測してキャッシュアルゴリズムを変更することにより、キャッシュアルゴリズムの高性能化が可能であると考えられる。現在、この知見を基にした新たなキャッシュアルゴリズムの実装及び評価を行っている。２０２４年度の研究成果は、２０２５年度開催の各種学会で発表予定である。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

２０２４年度は、アプリケーションの動的なメモリアクセス特性を解析するための動的キャッシュプロファイラの設計および実装を行った。設計した動的キャッシュプロファイラは正しく動作することが確認できており、様々なアプリケーションの動的メモリアクセス特性を解析できるようになったことは大きな前進と言える。また、OSを起動した状態の実環境で各種アプリケーションを実行することにより、キャッシュミス数の動的な推移について新たな知見が得られた。現在、この知見を基にした新たなキャッシュ置換アルゴリズムを開発中である。以上より、研究はおおむね順調に進展していると言える。

Strategy for Future Research Activity

２０２５年度は、２０２４年度の研究で得られて知見を基にアプリケーションの動的メモリアクセス特性に適応可能な新たなキャッシュアルゴリズムの開発を行う。プロセッサシミュレータを用いた評価ののち、ＲＩＳＣ－Ｖプロセッサの一つであるＣＶＡ６に開発したアルゴリズムを実装し、実アプリケーションを用いて性能評価を行う予定である。また、２０２４年度の成果について各種学会で発表予定である。