[논문 리뷰] Taming Weak Memory Models

Sizhuo Zhang, Arvind Arvind외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 06. 17.

Parallel Computing and Optimization Techniques참고 문헌 44인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 로드 값 사전 예측을 통한 의존성 강제를 제거함으로써 더 단순하고 효율적인 약한 메모리 모델인 WMM을 소개한다. I²E 프레임워크를 사용하여 설계된 WMM은 의존성 강제 없이도 간편한 동작을 가능하게 한다. 또한 정확한 데이터 의존성 순서를 위해 WMM-D를 제안하고, 쓰기 스루 캐시에서 발생하는 비원자적 다중 복사 저장을 모델링하기 위해 WMM-S를 제시하며, 쓰기 백 캐시만으로도 성능을 확보할 수 있음을 보여주어 복잡한 모델링이 필요 없음을 입증한다.

ABSTRACT

Speculative techniques in microarchitectures relax various dependencies in programs, which contributes to the complexity of (weak) memory models. We show using WMM, a new weak memory model, that the model becomes simpler if it includes load-value speculation and thus, does not enforce any dependency! However, in the absence of good value-prediction techniques, a programmer may end up paying a price for the extra fences. Thus, we also present WMM-D, which enforces the dependencies captured by the current microarchitectures. WMM-D is still much simpler than other existing models. We also show that non-atomic multi-copy stores arise as a result of sharing write-through caches. We think restricting microarchitectures to write-back caches (and thus simpler weak memory models) will not incur any performance penalty. Nevertheless, we present WMM-S, another extension to WMM, which could model the effects of non-atomic multi-copy stores. WMM, WMM-D, and WMM-S are all defined using Instantaneous Instruction Execution (I^2E), a new way of describing memory models without explicit reordering or speculative execution.

연구 동기 및 목표

• Power와 ARM과 같은 기존의 약한 메모리 모델에서 발생하는 복잡성과 모호성의 원인은 비원자적 다중 복사 저장과 사전 예측 실행에 기인한다.
• 고수준 언어 의미 체계와 호환되는 명확하고 단순하며 구현 가능한 메모리 모델 정의의 부족을 해결한다.
• 복잡한 공리나 운영 모델에 의존하지 않고도 명확하고 모호하지 않으며 효율적인 메모리 모델의 사양을 가능하게 하는 형식적 프레임워크를 개발한다.
• 마이크로아키텍처를 쓰기 백 캐시로 제한함으로써 비원자적 저장의 복잡한 모델링이 필요 없어지며, 이는 메모리 모델을 단순화시킨다.
• 고수준 언어의 기초 요소에서 메모리 명령어와 패널티 지시어로의 체계적 매핑을 제공하여 동시 프로그래밍에서의 효율적 컴파일과 추론을 가능하게 한다.

제안 방법

• 메모리 시스템을 원자적 프로세서와 구성 가능한 버퍼를 갖춘 다중 포트 메모리로 모델링하는 일시적 명령어 실행(I²E) 프레임워크를 도입한다. 이는 의존성과 사전 예측을 표현한다.
• I²E 내에서 로드 값 사전 예측을 통해 의존성 강제를 제거함으로써 더 단순한 동작을 가능하게 하는 약한 메모리 모델인 WMM을 정의한다.
• 버퍼 제약 조건을 통한 데이터 의존성 순서 강제를 통해 WMM을 확장하여 WMM-D를 정의한다. 이는 단순성을 유지하면서도 핵심적인 순서 의미 체계를 포착한다.
• 저장 버퍼 복사와 일致성 순서 검사 기반으로 WMM을 확장하여 비원자적 다중 복사 저장을 모델링하는 WMM-S를 개발한다. 이는 쓰기 스루 캐시 동작을 시뮬레이션한다.
• WMM, WMM-D, WMM-S의 정당성을 점검하기 위해 릿머스 테스트를 사용하며, WWC와 IRIW와 같은 알려진 패턴에서의 정확한 동작을 입증한다.
• 저장 버퍼 복사 전파와 무효화를 통해 전역 순서를 강제함으로써, WMM-S의 Commit 패널티 지시어가 누적적인 전역 효과를 가지며, Power의 sync와 ARM의 dmb와 유사한 동작을 한다는 것을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Power와 ARM과 같은 기존 약한 메모리 모델에서 발생하는 복잡성의 근본 원인은 마이크로아키텍처의 어떤 기능에 기인하는가?
• RQ2 RC와 RMO와 같은 기존의 메모리 모델 형식화가 왜 모호하거나 지나치게 제한적인가? 이를 어떻게 수정할 수 있는가?
• RQ3 현대 하드웨어 최적화와 고수준 언어 추상화를 모두 지원하면서도 단순하고 효율적인 메모리 모델을 설계할 수 있는가?
• RQ4 쓰기 백 캐시로 제한함으로써 비원자적 다중 복사 저장의 복잡한 모델링이 얼마나 줄어들 수 있는가?
• RQ5 I²E와 같은 형식적 프레임워크는 어떻게 명확하고 최소한의 정의를 가능하게 하며 확장 가능한 메모리 모델 정의를 가능하게 하는가?

주요 결과

• Power와 ARM의 비원자적 다중 복사 저장은 공유된 쓰기 스루 캐시에서 기인하며, 쓰기 백 캐시로 제한함으로써 성능 손실 없이 이 복잡성을 제거할 수 있다.
• 로드 값 사전 예측을 사용하는 I²E 기반의 WMM은 의존성 강제를 제거함으로써 메모리 모델을 단순화시키며, 명확하고 정확한 정의를 달성한다.
• WMM-D는 데이터 의존성 순서를 정확히 포착하면서도 단순성과 기존 하드웨어와의 호환성을 유지하므로 즉각적인 도입에 적합하다.
• WMM-S는 저장 버퍼 복사와 일치성 검사 기반으로 비원자적 다중 복사 저장을 모델링하며, 쓰기 스루 캐시 시스템에서 관찰되는 동작을 정확히 재현한다.
• WMM-S의 Commit 패널티 지시어는 모든 저장 복사본이 후속 작업 이전에 가시하도록 보장함으로써 누적적인 전역 효과를 가지며, Power의 sync와 ARM의 dmb와 유사하다.
• 릿머스 테스트를 통해 WMM-S가 WWC와 IRIW와 같은 동작을 허용함을 입증하였으며, 이는 실제 쓰기 스루 캐시 효과를 모델링할 수 있음을 확인한다.