[发明专利]具有协同异构处理器的计算机架构

说明书

计算机架构采用对程序具有不同亲和力的多个专用处理器来执行通用程序的实质部分，以相对于独自执行通用程序的通用处理器提供提高的性能。计算机架构包括：存储器缓存；一组异构处理器，其共享存储器缓存并且相对于程序的不同部分提供相对不同的性能；以及切换单元，其基于评估的在执行所述程序的不同部分中异构处理器的比较优点来针对所述不同部分在异构处理器之间交替地进行切换。

关于联邦政府资助的研究或开发的声明

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年8月19日提交的美国非临时申请15/241,488的权益，并且该美国非临时申请通过引用并入本文。

背景技术

本发明涉及具有多个高度专业的处理器的计算机架构，并且特别涉及能够基于预期的程序行为来切换操作模式的架构。

通用处理器例如提供推测执行(speculative execution)的无序处理器(out-of-order processor)被设计成有效地执行范围广泛的计算机程序。然而，公知的是使用专业的计算机处理器可以在特定程序域中或者利用特定程序行为来获得提高的性能。例如，已经针对需要对多个数据元素快速执行公共指令的程序开发了“单指令多数据”(singleinstruction multiple data)或SIMD处理器。这样的SIMD处理器在图形处理的领域中是有益的，例如，在调节图像的亮度时图像中像素的多个数据元素全都由公共因子进行缩放的情况下。类似地，专业的神经网络处理器可以在机器学习或模式识别应用中提供提高的性能。

当这些专业处理器被要求执行具有各种行为和/或跨越不同程序域的通用程序时，由这些专业处理器提供的在能量消耗和/或速度方面测量到的提高的性能通常消失。出于这个原因，专业处理器通常是成对的并且在通用处理器的控制下工作。在这种情况下，通用处理器可以执行程序，直到专业处理器通过执行的程序中嵌入的特定命令或指令例如访问与专业处理器相关联的应用程序接口(API)的指令被调用。

发明内容

本发明人已经认识到适当选择的一组专业处理器可以协同地操作以在范围广泛的通用程序上提供提高的性能(速度和/或能量效率)。重要地，合适的一组专业处理器可以提供覆盖通用程序的极大百分比的指令的补充的“亲和力”(affinities)。因此，通用处理器可以被简化，从而在集成电路面积或复杂性方面提供净节省。

在一个实施方式中，通过允许程序分配以在很大程度上对用户/程序员透明的运行时间剖析处理来处理在具有不同亲和力的多个专业处理器之中划分程序的复杂性。

在跨越范围广泛的基准的模拟中，具有按照本发明选择的三个专用处理器的2宽OOO处理器能够匹配常规6宽OOO处理器的性能而使用40％的降低的芯片面积并且能量效率提高了2.6倍。

具体地，在一个实施方式中，本发明提供采用一组异构处理器的计算机架构，该组异构处理器相对于程序的具有不同程度的数据并行性的部分提供相对不同的性能。异构处理器由切换单元控制，切换单元基于评估的数据并行性的程度针对程序的不同部分在异构处理器之间交替地进行切换。异构处理器包括：(a)提供推测执行的通用处理器；(b)针对呈现预定水平的数据并行性的第一给定程序部分提供比通用无序处理器更高的性能执行的至少一个处理器；以及(c)针对呈现比预定水平的数据并行性更低的数据并行性的第二给定程序部分提供比通用无序处理器更高的性能执行的至少一个处理器。

在一些实施方式中，程序可以具有不同程度的控制流复杂性，并且异构处理器可以进一步包括：(d)针对与第一给定程序部分相比具有更低的控制流复杂性的第三给定程序部分提供比通用无序处理器更高的性能执行的至少一个处理器。

在一些实施方式中，程序可以具有不同程度的控制偏斜并且异构处理器可以进一步包括：(e)针对与第二给定程序部分相比具有更偏斜的控制流的第四给定程序部分提供比通用无序处理器更高的性能执行的至少一个处理器。