[논문 리뷰] A Simple Multi-Processor Computer Based on Subleq

Oleg Mazonka, Alex Kolodin|arXiv (Cornell University)|2011. 06. 14.

Neural Networks and Reservoir Computing참고 문헌 3인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 단일 지시어 아키텍처인 Subleq 지시어 집합만을 사용하여 28개의 프로세서로 구성된 멀티코어 시스템의 하드웨어 구현을 제시한다. 저비용 FPGA 기반으로 제작된 이 시스템은 현대 개인용 컴퓨터 CPU와 유사한 계산 성능을 달성하며, C 스타일 코드를 Subleq 기계어로 변환하는 맞춤형 컴파일러를 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 최소 지시어 집합 아키텍처(Subleq)가 고성능 멀티프로세서 시스템으로 확장될 수 있음을 입증하는 것.
• 저비용 FPGA 하드웨어에서 Subleq 지시어만을 사용하여 작동 가능하고 확장 가능한 멀티프로세서 시스템을 구현하는 것.
• 고수준의 C 스타일 코드를 다중코어 아키텍처용 효율적인 Subleq 기계어로 변환하는 컴파일러를 개발하는 것.
• Subleq 기반 시스템의 계산 처리 능력을 평가하고 기존 개인용 컴퓨터 CPU와 비교하는 것.
• 단일 유일 지시어로 복잡한 일반 목적 컴퓨팅 시스템을 구축할 수 있는 가능성을 탐색하는 것.

제안 방법

• 각 지시어가 뺄셈과 조건부 브랜치를 수행하는 Subleq 지시어 집합을 사용하여 28개의 프로세서 어레이를 설계하는 것.
• 논리 합성용 하드웨어 기술 언어(HDL)를 사용하여 저비용 FPGA 보드에 Subleq 프로세서를 구현하는 것.
• 다중코어 어레이에서 실행하기 위해 C 스타일 프로그램을 Subleq 지시어 시퀀스로 변환하는 맞춤형 컴파일러를 개발하는 것.
• 28개의 코어 간 상호 프로세서 통신 및 작업 조율을 가능하게 하기 위해 공유 메모리 모델을 사용하는 것.
• Subleq 아키텍처에서의 지시어 수를 줄이고 실행 효율을 향상시키기 위해 컴파일러 최적화를 수행하는 것.
• 표준 계산 워크로드를 사용하여 벤치마킹과 성능 측정을 통해 시스템을 검증하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Subleq 지시어만으로 구성된 멀티프로세서 시스템이 현대 개인용 컴퓨터 CPU와 유사한 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ2 고수준의 C 스타일 언어가 다중코어 아키텍처용 Subleq 지시어 집합으로 얼마나 효율적으로 컴파일될 수 있는가?
• RQ3 일인구 지시어 집합 컴퓨터를 다수의 프로세서로 확장할 때 실용적 제약과 성능 저하 요인은 무엇인가?
• RQ4 Subleq 지시어 집합의 단순성이 일반 목적의 확장 가능한 컴퓨팅 시스템을 구축하는 데 얼마나 기여하는가?
• RQ5 FPGA에 하드웨어로 구현된 Subleq의 자원 사용량과 계산 처리 능력이 기존 다중코어 CPU 설계와 비교해 어떻게 다른가?

주요 결과

• FPGA에 구현된 28코어 Subleq 시스템은 현대 개인용 컴퓨터 CPU와 유사한 계산 성능을 달성한다.
• 맞춤형 C-to-Subleq 컴파일러는 고수준 코드를 효율적인 Subleq 기계어로 성공적으로 변환하여 일반 목적 계산을 가능하게 한다.
• 하드웨어 설계는 단일 Subleq 지시어 집합만으로도 복잡하고 확장 가능한 다중프로세서 시스템을 구축할 수 있음을 보여준다.
• 벤치마킹을 통해 시스템의 성능가 검증되었으며, Subleq 기반 아키텍처가 일반 목적 컴퓨팅 작업에 실용적임을 입증한다.
• 구현은 기본적인 FPGA 자원만을 사용하여 최소 지시어 집합으로도 강력한 시스템을 구축할 수 있음을 증명한다.
• 결과는 단일 지시어 아키텍처가 고처리량, 다중코어 컴퓨팅 플랫폼으로 효과적으로 확장될 수 있음을 확인한다.