可扩展共享内存系统的关键技术研究
发布时间：2024-02-01 10:30
随着大数据技术的普及,各种领域的应用对于计算资源的需求与日俱增。以Map Reduce、图计算、深度学习等应用为代表的大规模内存计算代表着最新的应用发展方向。然而随着半导体工艺发展的放缓,应用已经无法从处理器的更新换代中持续获得可扩展的性能提升,基于多处理器技术硬件平台已经成为主流。共享内存的抽象是设计运行于多处理器之上的并行应用的基础。小至多核处理器和众核处理器,大至分布式的集群,共享内存系统在各个层次的多处理器环境中都有重要的应用。共享内存系统的设计目标是高可扩展性,即通过增加处理器的数量,应用的性能可以获得相匹配的提升。目前多处理器系统有两种基本的形式:1.单机多处理器上的共享内存系统在一台计算机中集成复数的处理器单元,典型代表是多核系统(Multi-core)和众核系统(Many-core);2.分布式多处理器上的共享内存系统突破了单机多核系统的限制,使用计算机网络把多台计算机连结起来构成一个松耦合的分布式系统,可以很容易通过增加节点机器数量实现水平扩展。然而,在多处理器系统上实现高可扩展性的共享内存抽象存在着一些共同的挑战。首要的挑战是高效地维护共享数据访问的一致性。多个处理...
【文章页数】：139 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 论文研究背景
1.2 国内外相关研究
1.2.1 大规模内存计算应用
1.2.2 内存一致性模型
1.2.3 线程间同步
1.2.4 编译器和运行时支持
1.3 论文的研究内容和主要贡献
1.4 论文的结构安排
第二章 硬件技术背景与性能分析
2.1 多核同步可扩展性问题
2.1.1 线程同步的性能测试与分析
2.1.2 Fence机制的性能测试与分析
2.2 RDMA技术与性能分析
2.2.1 RDMA技术背景
2.2.2 RDMA的性能测试与分析
第三章 无内存屏障的多核同步机制设计
3.1 研究概述
3.2 研究背景
3.2.1 违反顺序一致性的情形
3.2.2 写缓冲与内存屏障指令
3.2.3 Fence的缺陷
3.2.4 相关工作
3.3 系统概述
3.3.1 Sync-Order的语义
3.3.2 Sync-Order的正确性
3.4 降低冲突检测开销
3.4.1 识别sync-var
3.4.2 无数据竞争的程序
3.5 体系结构扩展
3.5.1 流水线的扩展
3.5.2 硬件模块的设计
3.5.3 写操作之间的冲突
3.6 实验结果与分析
3.6.1 性能开销
3.6.2 Sync-Order的性能数据
3.6.3 可扩展性
3.7 本章小结
第四章 基于消息传递的分布式共享内存系统
4.1 研究概述
4.2 相关工作
4.3 研究动机
4.4 系统概述
4.4.1 顺序一致性的协议
4.4.2 NUMA抽象
4.4.3 内存冲突检测
4.4.4 分布式的目录
4.5 降低协议开销的优化设计
4.5.1 预测性页缺失
4.5.2 批量翻译缓存失效
4.5.3 轮询的消息处理
4.5.4 协议旁路操作
4.6 实验结果与分析
4.6.1 实验方法
4.6.2 优化效果
4.6.3 可扩展性
4.7 本章小结
第五章 基于RDMA的分布式共享内存系统
5.1 研究概述
5.2 相关工作
5.3 基于RDMA的分布式共享内存协议
5.3.1 协议操作
5.3.2 RDMA的接口选择和使用
5.3.3 延迟本地TLB刷新
5.3.4 重叠RDMA请求
5.3.5 基于RDMA的线程同步原语
5.4 实验结果与分析
5.4.1 页缺失的处理时间
5.4.2 基于RDMA的同步机制
5.4.3 可扩展性
5.5 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 工作总结
6.2 研究展望
参考文献
致谢
攻读学位期间发表的学术论文
攻读学位期间参与的项目
本文编号：3891970
【文章页数】：139 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 论文研究背景
1.2 国内外相关研究
1.2.1 大规模内存计算应用
1.2.2 内存一致性模型
1.2.3 线程间同步
1.2.4 编译器和运行时支持
1.3 论文的研究内容和主要贡献
1.4 论文的结构安排
第二章 硬件技术背景与性能分析
2.1 多核同步可扩展性问题
2.1.1 线程同步的性能测试与分析
2.1.2 Fence机制的性能测试与分析
2.2 RDMA技术与性能分析
2.2.1 RDMA技术背景
2.2.2 RDMA的性能测试与分析
第三章 无内存屏障的多核同步机制设计
3.1 研究概述
3.2 研究背景
3.2.1 违反顺序一致性的情形
3.2.2 写缓冲与内存屏障指令
3.2.3 Fence的缺陷
3.2.4 相关工作
3.3 系统概述
3.3.1 Sync-Order的语义
3.3.2 Sync-Order的正确性
3.4 降低冲突检测开销
3.4.1 识别sync-var
3.4.2 无数据竞争的程序
3.5 体系结构扩展
3.5.1 流水线的扩展
3.5.2 硬件模块的设计
3.5.3 写操作之间的冲突
3.6 实验结果与分析
3.6.1 性能开销
3.6.2 Sync-Order的性能数据
3.6.3 可扩展性
3.7 本章小结
第四章 基于消息传递的分布式共享内存系统
4.1 研究概述
4.2 相关工作
4.3 研究动机
4.4 系统概述
4.4.1 顺序一致性的协议
4.4.2 NUMA抽象
4.4.3 内存冲突检测
4.4.4 分布式的目录
4.5 降低协议开销的优化设计
4.5.1 预测性页缺失
4.5.2 批量翻译缓存失效
4.5.3 轮询的消息处理
4.5.4 协议旁路操作
4.6 实验结果与分析
4.6.1 实验方法
4.6.2 优化效果
4.6.3 可扩展性
4.7 本章小结
第五章 基于RDMA的分布式共享内存系统
5.1 研究概述
5.2 相关工作
5.3 基于RDMA的分布式共享内存协议
5.3.1 协议操作
5.3.2 RDMA的接口选择和使用
5.3.3 延迟本地TLB刷新
5.3.4 重叠RDMA请求
5.3.5 基于RDMA的线程同步原语
5.4 实验结果与分析
5.4.1 页缺失的处理时间
5.4.2 基于RDMA的同步机制
5.4.3 可扩展性
5.5 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 工作总结
6.2 研究展望
参考文献
致谢
攻读学位期间发表的学术论文
攻读学位期间参与的项目
本文编号：3891970
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/xxkjbs/3891970.html