[論文レビュー] A Simple Multi-Processor Computer Based on Subleq

Oleg Mazonka, Alex Kolodin|arXiv (Cornell University)|Jun 14, 2011

Neural Networks and Reservoir Computing参考文献 3被引用数 14

ひとこと要約

この論文では、最小限の1命令セットアーキテクチャであるSubleq命令セットのみを用いて、28プロセッサのマルチコアシステムのハードウェア実装を提示している。低価格のFPGA上で実装された本システムは、現代のパーソナルコンピュータCPUと同等の計算性能を達成しており、C風のコードをSubleqマシンコードに変換するカスタムコンパイラを備えている。

ABSTRACT

Subleq (Subtract and Branch on result Less than or Equal to zero) is both an instruction set and a programming language for One Instruction Set Computer (OISC). We describe a hardware implementation of an array of 28 one-instruction Subleq processors on a low-cost FPGA board. Our test results demonstrate that computational power of our Subleq OISC multi-processor is comparable to that of CPU of a modern personal computer. Additionally, we provide implementation details of our complier from a C-style language to Subleq.

研究の動機と目的

• 最小限の命令セットアーキテクチャ（Subleq）が、高性能なマルチプロセッサシステムにスケーリング可能であることを示すこと。
• 低価格のFPGAハードウェア上で、Subleq命令のみを用いて動作可能でスケーラブルなマルチプロセッサシステムを実装すること。
• 高水準なC風コードを、マルチプロセッサアーキテクチャ向けに効率的なSubleqマシンコードに変換するコンパイラを開発すること。
• Subleqベースのシステムの計算スループットを評価し、従来のパーソナルコンピュータCPUと比較すること。
• 単一の汎用命令から複雑で汎用的な計算システムを構築する可能性を検討すること。

提案手法

• 各命令が減算と条件付き分岐を実行するSubleq命令セットを用いた28プロセッサアレイの設計。
• 論理合成用のハードウェア記述言語（HDL）を用いて、低価格のFPGAボード上でSubleqプロセッサを実装。
• マルチプロセッサアレイ上で実行可能なSubleq命令列に、C風プログラムを変換するカスタムコンパイラの作成。
• 28コア間での相互プロセス通信とタスク調整を可能にするために、共有メモリモデルを採用。
• Subleqアーキテクチャ上で命令数を削減し、実行効率を向上させるためにコンパイラを最適化。
• 標準的な計算ワークロードを用いたベンチマークと性能測定を通じて、システムの妥当性を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Subleq命令のみで構築されたマルチプロセッサシステムは、現代のパーソナルコンピュータCPUと同等の性能を達成できるか？
• RQ2 高水準なC風言語は、マルチコアアーキテクチャ向けに、どの程度効率的にSubleq命令セットにコンパイル可能か？
• RQ3 1命令セットコンピュータを複数プロセッサにスケーリングする際の実用的制限および性能ボトルネックは何か？
• RQ4 Subleq命令セットの単純さは、一般用途で利用可能なスケーラブルな計算システムを構築するのにどの程度有効か？
• RQ5 FPGA上に実装されたSubleqのハードウェア実装は、従来のマルチコアCPU設計と比較して、リソース使用量と計算スループットの面でどのように異なるか？

主な発見

• FPGA上に実装された28プロセッサのSubleqシステムは、現代のパーソナルコンピュータCPUと同等の計算性能を達成した。
• カスタムのCからSubleqへのコンパイラは、高水準コードを効率的なSubleqマシンコードに成功して変換し、一般用途の計算を可能にした。
• ハードウェア設計は、Subleq命令セットのみを用いても、複雑でスケーラブルなマルチプロセッサシステムを構築可能であることを示した。
• ベンチマークによる検証を通じて、Subleqベースのアーキテクチャが一般用途の計算タスクに実用的であることが確認された。
• 実装は基本的なFPGAリソースのみを用いており、最小限の命令セットから強力なシステムを構築可能であることを証明した。
• 結果から、単一命令アーキテクチャが、高スループットでスケーラブルなマルチコア計算プラットフォームに効果的にスケーリング可能であることが確認された。