Design and Evaluation of Clustered Processor Architectures

Ζέρβα, Βασιλεία; Zerva, Vasileia

dc.contributor.author	Ζέρβα, Βασιλεία	el
dc.contributor.author	Zerva, Vasileia	en
dc.date.accessioned	2025-12-04T06:18:59Z
dc.date.available	2025-12-04T06:18:59Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/62980
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.30676
dc.rights	Default License
dc.subject	Clustering	en
dc.subject	Instruction-Level Parallelism	en
dc.subject	gem5	en
dc.subject	instruction steering	en
dc.subject	clock frequency	en
dc.subject	performance	en
dc.subject	Κατανομή Εντολών	el
dc.subject	συχνότητα ρολογιού	el
dc.subject	απόδοση	el
dc.subject	προσομοίωση	el
dc.subject	ομαδοποίηση	el
dc.title	Design and Evaluation of Clustered Processor Architectures	en
dc.contributor.department	CSLab	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Computer Architecture	el
heal.language	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2025-06-27
heal.abstract	Growing computational demands of modern workloads and the need for better application performance, has led designers to focus on increasing the number of cores into a single chip. This multi-core design is highly effective in many applications because it increases thread-level parallelism, improving the overall throughput. However, improving single-thread performance remains crucial, especially for applications with limited parallelism. Since in many scenarios, instruction-level parallelism becomes a bottleneck designers, tried to implement wider designs, with wider instructions windows and widths. This of course came with an important trade-off: wider windows and issue widths typically require more complex control logic, more power consumption, and significantly impact the clock frequency due to the increased complexity and size of the structures. Another approach was introduced in order to avoid the hazards mentioned before, called “clustering”. Clustering, means dividing resources into smaller, independent groups, each handling a subset of instructions with its own set of resources. Using this method could significantly reduce wire delays, helping to preserve high clock frequencies even as the overall system scales. In this thesis, we analyze the limitations of clustering and review steering techniques that have been proposed in previous work. Based on these studies, we design and implement four instruction steering methods—Round-Robin, De pendency, Dependency-Load, and Loadcut—which, while inspired by existing approaches, are carefully adapted to the specific goals and architectural con straints of our system. We then evaluate these methods through simulation using the gem5 simulator and analyze their performance.	en
heal.abstract	Περίληψη Οι αυξανόμενες υπολογιστικές απαιτήσεις των σύγχρονων εφαρμογών και η ανάγκη για την βελτιωμένη απόδοση έχουν οδηγήσει τους σχεδιαστές να επικεντρωθούν στην αύξηση του αριθμού των πυρήνων σε ένα μόνο chip. Τα συστήματα με πολλαπλούς πυρήνες είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικά σε πολλές εφαρμογές, κα- θώς αυξάνουν τον παραλληλισμό σε επίπεδο νημάτων (Thread-Level Parallelism), βελτιώνοντας το συνολικό ρυθμό διεκπεραίωσης. Ωστόσο, η ενίσχυση της από- δοσης ενός μόνο νήματος παραμένει κρίσιμη, ειδικά για εφαρμογές με περιορισ- μένο παραλληλισμό. Σε τέτοιες περιπτώσεις, ο παραλληλισμός σε επίπεδο εν- τολών (Instruction-Level Parallelism) μπορεί να αποτελέσει σημαντικό εμπόδιο στην βελτίωση της απόδοσης. Για την αντιμετώπιση αυτού του περιορισμού, οι σχεδιαστές ακολούθησαν πιο ευρείες αρχιτεκτονικές με μεγαλύτερα παράθυρα εν- τολών και μεγαλύτερο πλάτος. Ωστόσο, αυτή η προσέγγιση συνοδεύεται από σημαντικούς συμβιβασμούς: απαιτεί πιο σύνθετη λογική ελέγχου, αυξάνει την κατανάλωση ισχύος και περιορίζει τη συχνότητα ρολογιού, λόγω της αυξημένης πολυπλοκότητας και του μεγέθους των δομικών μονάδων. Μία εναλλακτική λύση που προτάθηκε για την αποφυγή αυτών των προβλη- μάτων είναι η τεχνική του “Clustering”. Αυτή η τεχνική, περιλαμβάνει τη διαίρεση των πόρων σε μικρότερες, ανεξάρτητες μονάδες, όπου κάθε μονάδα διαχειρίζεται ένα υποσύνολο εντολών με δικούς της πόρους. Με αυτόν τον τρόπο, μειώνονται οι καθυστερήσεις στις συνδέσεις και διατηρείται υψηλή συχνότητα ρολογιού ακόμα και αν το σύστημα κλιμακώνεται. Σε αυτή τη διπλωματική, αναλύουμε τους περιορισμούς του Clustering, εξετά- ζουμε υπάρχουσες τεχνικές κατανομής των εντολών στα clusters, και υλοποιούμε τέσσερις διαφορετικές μεθόδους κατανομής —Round-Robin, Dependency, Dependency-Load και Loadcut— οι οποίες, έχουν προσαρμοστεί ώστε να αν- ταποκρίνονται στους στόχους και στους περιορισμούς της αρχιτεκτονικής μας. Στη συνέχεια, προσομοιώνουμε και αξιολογούμε τις μεθόδους αυτές χρησιμοποιών-	el
heal.abstract	Growing computational demands of modern workloads and the need for better application performance, has led designers to focus on increasing the number of cores into a single chip. This multi-core design is highly effective in many applications because it increases thread-level parallelism, improving the overall throughput. However, improving single-thread performance remains crucial, especially for applications with limited parallelism. Since in many scenarios, instruction-level parallelism becomes a bottleneck designers, tried to implement wider designs, with wider instructions windows and widths. This of course came with an important trade-off: wider windows and issue widths typically require more complex control logic, more power consumption, and significantly impact the clock frequency due to the increased complexity and size of the structures. Another approach was introduced in order to avoid the hazards mentioned before, called “clustering”. Clustering, means dividing resources into smaller, independent groups, each handling a subset of instructions with its own set of resources. Using this method could significantly reduce wire delays, helping to preserve high clock frequencies even as the overall system scales. In this thesis, we analyze the limitations of clustering and review steering techniques that have been proposed in previous work. Based on these studies, we design and implement four instruction steering methods—Round-Robin, De- pendency, Dependency-Load, and Loadcut—which, while inspired by existing approaches, are carefully adapted to the specific goals and architectural con- straints of our system. We then evaluate these methods through simulation using the gem5 simulator and analyze their performance.	en
heal.advisorName	Πνευματικάτος, Διονύσιος
heal.committeeMemberName	Γκούμας, Γεώργιος
heal.committeeMemberName	Κοζύρης, Νεκτάριος
heal.committeeMemberName	Πνευματικάτος, Διονύσιος
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών.	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	73
heal.fullTextAvailability	false