Freeway：Maximizing MLP for Slice-Out-of-Order Execution

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Freeway: Maximizing MLP for Slice-Out-of-Order Execution

1. 摘要：

   • 问题：
     • 为了能够掩盖内存和LLC的长访问延迟，充分的利用MLP将非常重要。尽管当前OOO处理器中能够有效的利用MLP，但是硬件复杂，能效低，能耗大
     • 之前的工作：sOOO(slice-out-of-out)是一种相对于OOO核能效更高的，能够利用MLP的微架构。这种结构将存储指令和相关指令构建成为代码片段，并且相对于剩余的指令，乱序的执行（slice内部和剩余指令都是按序，两者相对乱序）
     • sOOO的问题：在存储指令代码片中的指令由于是按序执行，会出现不相关的的指令阻塞后面的代码片中后面的指令执行（不同的slice之间，由于按序执行，导致slice之间的阻塞）
   • 论文工作：Freeway，一种新的sOOO微结构，设计了一种新的可感知相关(dependence-aware)的slice执行策略，这种策略可以跟踪相关的slices，并使它们不受MLP提取的影响
   • 结果：Freeway相对于之前的sOOO的性能提升了12%

2. 介绍：

   • 乱序执行可以提取MLP，因为可以同时将不相关的ready的多个存储操作同时发射执行，但是这种架构的能耗也非常大。例如OOO中的指令队列的结构通常是CAM结构（content addressable memory），这种结构的功耗随着队列长度和发射宽度成超线性（super-linearly）增长
   • Runahead execution：当OOO停顿时，能够继续提取MLP，但是需要额外的资源用于checkpointing，恢复状态，追踪有效和无效的结果，伪提交和一个runahead cache，即也会增加更多的能耗
   • slice out-of-order：LSC（load slice core）
     • 构建代码片，包括load和store指令，以及相关的地址生成指令
     • slices和非slice中的指令，两类之间乱序执行，但是两类内部仍旧按序执行
     • LSC在原本的按序，stall-on-use的核中，增加一些很少的硬件，完成上述两个功能（bypass-queue用于作为slices指令的指令窗口，一些表结构用于识别slice指令）
   • inter-slice dependencies limit MLP extraction opportunities（slices之前的相关会限制MLP的提取）
     • 当一个相关的slice代码到达了bypass队列的头部，会由于producer没有结束，将会阻塞bypass队列中后面的slice执行（可能是不相关的）
     • 论文通过分析，发现这种情况最多占执行时间的83%，平均23%</

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