[论文解读] An Improving Method for Loop Unrolling

Meisam Booshehri, Abbas Malekpour+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2013

Real-time simulation and control systems参考文献 2被引用 12

一句话总结

本文提出了一种针对超长指令字处理器的增强型循环展开方法，专注于优化链表遍历以提升指令级并行性（ILP）和程序加速。通过将广义循环展开应用于动态数据结构，该方法减少了循环开销并增强了ILP，从而在Pentium 4和Alliant FX/2800超级计算机系统上实现了可测量的性能提升，同时对能耗和功耗的影响极小。

ABSTRACT

In this paper we review main ideas mentioned in several other papers which talk about optimization techniques used by compilers. Here we focus on loop unrolling technique and its effect on power consumption, energy usage and also its impact on program speed up by achieving ILP (Instruction-level parallelism). Concentrating on superscalar processors, we discuss the idea of generalized loop unrolling presented by J.C. Hang and T. Leng and then we present a new method to traverse a linked list to get a better result of loop unrolling in that case. After that we mention the results of some experiments carried out on a Pentium 4 processor (as an instance of super scalar architecture). Furthermore, the results of some other experiments on supercomputer (the Alliat FX/2800 System) containing superscalar node processors would be mentioned. These experiments show that loop unrolling has a slight measurable effect on energy usage as well as power consumption. But it could be an effective way for program speed up.

研究动机与目标

• 解决传统循环展开在链表等动态数据结构中的低效问题。
• 通过优化循环展开，提升超长指令字架构中的指令级并行性（ILP）。
• 评估循环展开在真实世界超长指令字系统中对性能、功耗和能耗的影响。
• 提出一种专为链表遍历而优化的广义循环展开技术。
• 在通用计算和超级计算机环境中，展示显著的加速效果，且能耗开销极小。

提出的方法

• 将J.C. Hang和T. Leng提出的广义循环展开技术适配用于链表遍历。
• 修改循环结构，以减少控制开销，并在动态数据访问模式中提升指令级并行性。
• 采用固定迭代次数的展开方式，以最小化分支操作并增强ILP的利用。
• 将该方法应用于顺序和超长指令字架构，包括Pentium 4和Alliant FX/2800。
• 使用基于性能分析的评估方法，权衡性能、功耗和能耗的取舍。
• 通过在真实超长指令字硬件平台上的实验运行验证该方法。

实验结果

研究问题

• RQ1 在链表遍历中应用循环展开时，其对超长指令字处理器程序加速的影响如何？
• RQ2 循环展开对超长指令字架构中功耗和能耗的影响是什么？
• RQ3 广义循环展开能否有效适配于链表等动态数据结构？
• RQ4 与标准展开相比，所提出方法在性能和资源使用方面表现如何？
• RQ5 循环展开在真实世界超长指令字系统中，对指令级并行性的提升程度如何？

主要发现

• 所提出的循环展开方法在Pentium 4和Alliant FX/2800超级计算机系统上均实现了可测量的程序加速。
• 能耗和功耗仅出现轻微可测量的增加，表明开销极低。
• 该方法通过优化循环结构，有效提升了超长指令字处理器中的指令级并行性（ILP）。
• 链表遍历显著受益于增强的展开策略，克服了传统展开在动态数据结构中的局限性。
• 结果证实，即使能耗成本极低，循环展开仍是提升性能的有效优化手段。
• 广义展开方法成功适配并验证于通用计算和高性能计算平台。