高性能・低電力コンピュータの方式に関する研究

2016 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 16K00070
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 安藤 秀樹 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (40293667)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: 計算機アーキテクチャ / マイクロプロセッサ

研究実績の概要

現在のプロセッサでは、高い性能を達成するため、命令をプログラム順ではなく、実行できる命令から順不同で実行している。この役目を果たしているハードウェアが発行キュー（IQ: issue queue）である。フェッチした命令はいったんIQに蓄えられる。IQはその中で実行可能となった命令の中から、利用可能な実行ユニットを考慮して、選択論理によって実際に実行する命令を定める。この選択においては、一般に、古い命令ほど優先することが高い性能につながる。これを通常の選択論理で行うには、IQには古い順に命令が並んでいる必要がある。しかし、このためには、IQに任意の量をシフトするためのシフト回路が必要で、回路が非常に複雑化する。加えて、シフトに極めて大きな電力を消費する。このため、消費可能な電力の限界に達している現在のプロセッサでは用いられなくなった。代替構成として、近年では、単純にIQの空いているエントリに命令を書き込む手法(ランダムIQ)が主流となっている。しかし、この方式では、命令の並びはランダムになり、性能は低下する。
本研究では、単純で低電力なランダムIQにおいても高い性能を達成する方式を検討する。具体的には、実行時間に大きな影響を与える少数の古い命令を、IQの中から簡単な回路で見つけ出し、それらをIQの前方に配置した小さなバッファに移動する。選択回路は、このバッファを含めてIQから発行する命令を選択する。バッファを前方に配置することにより、選択論理は、バッファの命令を高い優先度で選択することとなり、性能低下が抑制される。
本年度は、考案した方式をアーキテクチャ・シミュレータに実装し、評価できるソフトウェアを作成した。また、IQの遅延および消費エネルギーを測定するために、回路シミュレータに与えるネットリストを自動的に作成するソフトウェアを作成した。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

IQ改善の研究のほか、最終レベルキャッシュ（LLC: last-level cache）の有効利用に関する研究を行う予定であったが、学生の研究室配属がなく、研究のための人員がなく開始できていない。来年度は配属されるので、進捗を加速する予定である。

今後の研究の推進方策

IQの研究については、予定通り詳細な評価を行う。
LLCの研究は、来年度から開始し、シミュレータを作成し、評価を行う。

次年度使用額が生じた理由

LLCに関する研究を開始する予定であったが、学内の事情で学生配属がなく、開始できなかった。このため、研究に要する資金が残ってしまった。

次年度使用額の使用計画

来年度は、学生配属があり、LLCの研究を開始できる。このため、今年度残された資金は使われる。