Memory. Jian-Jia Chen (Slides are based on Peter Marwedel) Informatik 12 TU Dortmund Germany 2014 年 11 月 12 日. technische universität dortmund

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1 12 Memory Jian-Jia Chen (Slides are based on Peter Marwedel) Informatik 12 TU Dortmund Germany Springer, 年 11 月 12 日 These slides use Microsoft clip arts. Microsoft copyright restrictions apply.

2 Memory Memories? Oops! Memories! For the memory, efficiency is again a concern: capacity energy efficiency speed (latency and throughput); predictable timing size cost other attributes (volatile vs. persistent, etc) 12,

3 Memory capacities expected to keep increasing [ITRS Update 2008] 12,

4 Where is the power consumed? - Stationary systems - According to International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS), 2010 update, [ ITRS, 2010 Switching (dynamic) power, logic dominating Overall power consumption a nightmare for environmentalists 12,

5 Where is the power consumed? - Consumer portable systems - According to International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS), 2010 update, [ Based on current trends Memory and logic, static and dynamic relevant ITRS, ,

6 Energy consumption and access times of memories Example CACTI: Scratchpad (SRAM) vs. DRAM (DDR2): DRAM High Performance - 16 banks SPM Access time (ns) K SRAM 8K 32K 128K 512K 2M 8M 32M 128M 512M 2G High Performance - 16 banks SPM Energy (nj) - read High Performance - 16 banks DDR Access time (ns) High Performance - 16 banks DDR Energy (nj) - read 16 bit read; size in bytes; 65 nm for SRAM, 80 nm for DRAM 12, 2012 Source: Olivera Jovanovic, TU Dortmund,

7 Access times and energy consumption for multi-ported register files Cycle Time (ns) Area (λ 2 x10 6 ) Power (W) Register File Size Register File Size Rixner s et al. model [HPCA 00], GP6M2 GP6M3 Technology of 0.18 µm Source and H. Valero, ,

8 Trends for the Speeds Speed gap between processor and main DRAM increases Speed 1 2x every 2 years DRAM (1.07 p.a.) years Similar problems also for embedded systems & MPSoCs F Memory access times >> processor cycle times F Memory wall problem [P. Machanik: Approaches to Addressing the Memory Wall, TR Nov. 2002, U. Brisbane] 12,

9 However, clock speed increases have come to a halt The speed gap does not disappear may be, it is not getting larger any more. Copyright 2011, Elsevier Inc. All rights Reserved. [Hennessy/Patterson: Computer Architecture, 5th ed., 2011] 12,

10 Memory Hierarchy Teritary Storage (Optische Speicher, Bänder) Secondary Storage (Disks, Flash) persistent File Cache (DRAM, Flash) Main Memory (DRAM) SRAM (Cache or Scratchpad) Register (SRAM) 12,

11 Recover Your Knowledge on Cache Fully-associative mapping, direct mapping, setassociative mapping Cache replacement policy Temporal locality and spatial locality 12,

12 Set-associative cache n-way cache Set = 2 Address Tag Index way 0 $ ( ) way 1 Tags data block Tags data block = = 1 Data 12,

13 Hierarchical memories using scratch pad memories (SPM) SPM is a small, physically separate memory mapped into the address space Hierarchy main FFF.. Address space 0 scratch pad memory no tag memory Examples: Most ARM cores allow tightly coupled memories IBM Cell Infineon TriCore Many multi-cores, due to high costs of coherent caches SPM processor select SPM Selection is by an appropriate address decoder (simple!) 12,

14 Influence of the associativity [P. Marwedel et al., ASPDAC, 2004] 12,

15 Summary Memories Small is beautiful (in terms of energy consumption, access times, size) 12,

16 Spare Slides 12,

17 Cycles/access as a function of the size of the list L1d L2 hit L2 miss* L1d L2 hit L2 miss * prefetching succeeds 12, 2012 prefetching fails Graphics: U. Drepper,

18 Impact of TLB misses and larger caches Elements on different pages; run time increase when exceeding the size of the TLB Larger caches are shifting the steps to the right 12, 2012 Graphics: U. Drepper,

19 Comparison of currents using measurements E.g.: ATMEL board with ARM7TDMI and ext. SRAM Current 32 Bit-Load Instruction (Thumb) ma ,2 82,2 1,16 48,2 50,9 44,4 53,1 Prog Main/ Data Main Prog Main/ Data SPM Prog SPM/ Data Main Prog SPM/ Data SPM Core+SPM (ma) Main Memory Current (ma) 12,

20 Why not just use a cache? 2. Energy for parallel access of sets, in comparators, muxes. 9 Energy per access [nj] Scratch pad Cache, 2way, 4GB space Cache, 2way, 16 MB space Cache, 2way, 1 MB space memory size [R. Banakar, S. Steinke, B.-S. Lee, 2001] 12,

21 Influence of the associativity Parameters different from previous slides [P. Marwedel et al., ASPDAC, 2004] 12,

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