A reconfigurable array for superscalar processors

Abstract

The performance of microprocessors is closely related to their ability to exploit the parallelism from applications. The superscalar model has long been the state-of-the-industry microarchitectural paradigm for exploiting instruction-level parallelism; however, they reach their scalability limits under the strict area and power constraints posed by modern designs. This work proposes a new microarchitecture for x86 processors, based on a traditional superscalar design tightly-coupled to a reconfigurable array. The array implements critical computation parts using combinational logic, improving the amount of parallelism exploited. The system detects recurring code sequences at runtime and employs dynamic binary translation to prepare these sequences for execution on the reconfigurable array; the next time the code sequence has to execute, the array is employed. Two major advantages of this solution are that it is transparent to the programmers, because binary compatibility is maintained, and it is simpler to implement (compared to other novel microarchitecture solutions), because it is based on a traditional superscalar design. Additionally, by targeting the x86 architecture, one additional advantage emerges: the burden on the x86 instruction decoder, which has to constantly translated CISC instructions into simpler micro-ops, is alleviated. The microarchitecture was modeled using a cycle-accurate simulator and performance results were collected. It is shown that the proposed system presents higher potential to explore instruction-level parallelism than the superscalar.

A performance de microprocessadores está intimamente relacionada à sua capacidade de explorar o paralelismo presente nas aplicações. O modelo superescalar tem sido, por muito tempo, o estado-da-industria em termos de paradigma microarquitetural; contudo, sob as restrições de área e potência impostos pelos projetos atuais, eles atingem seus limites de escalabilidade. Este trabalho propõe uma nova microarquitetura para processadores x86, baseado em um sistema superscalar ao qual um array reconfigurável é acoplado. O array implementa trechos críticos da computação utilizando lógica combinacional, o que aumenta a quantidade de paralelismo explorado. O sistema detecta trechos recorrentes de código em tempo de execução e utiliza tradução binária dinâmica para preparar esses trechos para execução no array reconfigurável; na próxima vez que o trecho precisar ser executado, o array é utilizado. Duas vantagens dessa solução são que ela é transparente para os programadores, pois é mantida a compatibilidade binária, e ela é simples de ser implementada (frente a outras soluções microarquiteturais), pois é baseada em um projeto superescalar. Adicionalmente, por utilizar-se a ISA x86, surge uma outra vantagem: a pressão em cima do decodificador, que necessita constantemente transformar instruções CISC em micro-ops, pode ser reduzida. O sistema foi modelado utilizando um simulador com precisão de ciclos, e resultados de performance foram coletados. Observa-se que o sistema apresenta maior potencial de exploração de paralelismo a nível de instruções que o superescalar.