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多核芯片的操作系统将需要有关其自身性能的更多信息

归档日期:06-18       文本归类:多地址计算机      文章编辑:爱尚语录

  计算机芯片的时钟已经停止变得更快。为了保持我们现在认为理所当然的计算机功率的正常倍增,芯片制造商一直在为芯片提供更多“核心”或处理单元。但是如何在多个核心之间分配计算是一个难题,这篇由五部分组成的系列文章探讨了麻省理工学院研究人员处理它的不同层面,从硬件设计到新编程语言的开发。

  作为最基本的水平,计算机是从内存或输入设备(如键盘)接收零和一的东西,以某种系统的方式将它们组合在一起,并将结果发送到内存或某些输出设备 - 如屏幕或扬声器。操作系统,无论是Windows,Apple OS,Linux还是其他任何操作系统,都是介于应用程序(如文字处理程序和Web浏览器)以及那些基本位操作之间的软件。与其他所有产品一样,操作系统必须重新构想,以满足计算机芯片拥有数百或数千个内核的世界。

  Project Angstrom是一项雄心勃勃的计划,旨在从头开始创建明天的计算系统,由美国国防部国防部高级研究计划局资助,并利用19位麻省理工学院研究人员和行业合作者的工作,关注节能多核计算。从芯片架构到编程语言的设计。但其核心是开发新的操作系统。

  具有成百上千个核心的计算机处理问题的不同方面并交换数据提供了比普通计算机更糟糕的机会。与此同时,它有更多的资源可以解决任何出现的问题。因此,负责Angstrom项目的Anant Agarwal说,多核操作系统需要更加自我意识 - 能够获得有关计算机整体性能的更好信息 - 并且能够更好地控制硬件执行的操作。

  在某种程度上,提高自我意识需要硬件:例如,Angstrom芯片中的每个核心都有自己的温度计,因此操作系统可以判断芯片的任何部分是否过热。但对于Angstrom操作系统而言至关重要 - 被称为FOS,用于分解操作系统 - 是一种基于软件的性能测量,Agarwal称之为“心跳”。编写应用程序以在FOS上运行的程序员可以选择设置性能目标:视频播放器例如,可以指定回放速率需要是每秒30帧的行业标准。软件将自动解释该要求,并在每次显示帧时发出一个简单的信号 - 心跳。

  如果心跳低于30,FOS可以为视频播放器分配更多内核。或者,如果系统资源短缺,它可以采用一些计算捷径,以便再次恢复心跳。计算机科学教授Martin Rinard的研究小组一直在调查准确性可以换取速度的案例,并开发了一种称为“ 循环穿孔 ” 的技术。循环是一种对连续的数据重复的操作 - 比如说像素视频帧 - 以及穿孔循环只是跳过一些操作的迭代。研究生Hank Hoffmann一直与Agarwal合作,为FOS提供了即时穿孔循环的能力。

  Saman Amarasinghe,另一位计算机科学教授(不像Rinard)正式成为Angstrom项目的一部分,他一直致力于类似的工作。在计算机科学中,通常有多种算法可以解决给定的问题,在不同的情况下具有不同的性能; 程序员选择那些似乎最适合应用程序的预期用途的程序员。但Amarasinghe一直在开发工具,允许程序员为程序执行的每个任务指定几种不同的算法,操作系统会自动选择在任何给定情况下最佳的算法。

  对不断变化的环境的动态响应是Agarwal最近工作的一个特点。操作系统本质上是执行基本任务的较小程序的集合。一个示例是文件系统,其跟踪存储不同数据块的位置,以便当核心或输出设备需要它们时可以检索它们。Agarwal和他的研究小组已经找到了如何分解几个这样的基本任务,以便它们可以在多个核心上并行运行。如果来自应用软件的请求开始激增,操作系统可以简单地调用额外的内核来处理负载。Agarwal将FOS的每个子系统设想为“服务车队”,可根据情况进行扩展和收缩。

  理论上,计算机芯片有两个主要部件:处理器和存储器电路。处理器从内存中检索数据,对其执行操作,并将其返回到内存。但实际上,芯片几十年来都有一个额外的,更小的存储器电路,称为高速缓存,它更靠近处理器,可以比主存储器更快地访问,并存储经常使用的数据。

  在多核芯片中,每个核心都有自己的缓存。核心可能比主内存更有效地访问相邻内核的缓存,但是当前的操作系统无法让一个内核进入另一个内核的缓存。Angstrom成员和计算机科学教授Frans Kaashoek的工作可以帮助解决这一局限。Kaashoek已经演示了如何扩展计算机芯片执行的原始操作集,以允许核访问彼此的缓存。为了简化程序的执行,具有Kaashoek扩展指令集的操作系统可以,例如,交换两个缓存的内容,以便数据移动到需要它的核心,而不会跳转到主存储器; 或者一个核心可以询问另一个核心是否包含存储在主存储器中某个特定位置的数据。

  由于Angstrom有从头开始构建芯片的奢侈品,因此它也将利用Kaashoek与助理教授Nickolai Zeldovich所做的工作来保护操作系统免受外部攻击。必须授予操作系统对原始芯片级指令的一些访问权限 - 例如Kaashoek的缓存交换命令和缓存地址请求。但是,Kaashoek和Zeldovich一直在努力减少需要特权访问的操作系统子例程的数量。芯片最基本控制的路径越少,攻击者就越难以利用它们。

  计算机科学教授Srini Devadas已经完成了Angstrom正在采用的电气数据连接方面的工作(以及之前的文章在这个系列中描述),但在Angstrom之外,他正在研究他自己的多核操作系统方法,这在某种意义上反转了Kaashoek的原始缓存交换过程。Devadas的系统不是将数据移动到需要它的核心,而是将计算分配给核心,并在其缓存中包含所需的数据。发送核心它的分配实际上消耗的带宽是交换高速缓存内容的四倍,因此它也消耗更多的能量。但在多核芯片中,多核通常会缓存相同数据的副本。如果一个核心修改了它的副本,那么所有其他副本也必须更新,这会消耗能量和时间。Devadas说,通过减少对缓存更新的需求,使用他的方法的多核系统可以胜过使用传统方法的多核系统。

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