Scalable cache coherence protocols for energy-efficient shared memory manycore processors

L'architecture TSAR (Tera-Scale ARchitecture) développée conjointement par BULL, le Lip6 et le CEA-LETI est une architecture manycore CC-NUMA extensible jusqu'à 1024 cœurs. Le protocole de cohérence de cache DHCCP dans l'architecture TSAR repose sur le principe du répertoire global distribué en utilisant la stratégie d'écriture simultanée afin de passer à l'échelle, mais cette scalabilité a un coût énergétique important que nous cherchons à réduire. Actuellement, les plus grosses entreprises dans le domaine des semi-conducteurs, comme Intel ou AMD, utilisent les protocoles MESI ou MOESI dans leurs processeurs multicoeurs. Ces types de protocoles utilisent la stratégie d'écriture différée pour réduire la forte consommation énergétique due aux écritures. Mais la complexité d'implémentation et la forte augmentation de ce trafic de cohérence quand le nombre de processeurs augmente limite le passage à l'échelle de ces protocoles au-delà de quelques dizaines de coeurs. Dans cette thèse, nous proposons un nouveau protocole de cohérence de cache utilisant une méthode hybride pour traiter les écritures dans le cache L1 privé : pour les lignes non partagées, le contrôleur de cache L1 utilise la stratégie d'écriture différée, de façon à modifier les lignes localement. Pour les lignes partagées, le contrôleur de cache L1 utilise la stratégie d'écriture immédiate pour éviter l'état de propriété exclusive sur ces lignes partagées. Cette méthode, appelée RWT pour Released Write Through, passe non seulement à l'échelle, mais réduit aussi significativement la consommation énergétique liée aux écritures. Nous avons aussi optimisé la solution actuelle pour gérer la cohérence des TLBs dans l'architecture TSAR, en termes de performance et de consommation énergétique. Enfin, nous introduisons dans cette thèse un nouveau petit cache, appelé micro-cache, entre le coeur et le cache L1, afin de réduire le nombre d'accès au cache d'instructions.The TSAR architecture (Tera-Scale ARchitecture) developed jointly by Lip6 Bull and CEA-LETI is a CC-NUMA manycore architecture which is scalable up to 1024 cores. The DHCCP cache coherence protocol in the TSAR architecture is a global directory protocol using the write-through policy in the L1 cache for scalability purpose, but this write policy causes a high power consumption which we want to reduce. Currently the biggest semiconductors companies, such as Intel or AMD, use the MESI MOESI protocols in their multi-core processors. These protocols use the write-back policy to reduce the high power consumption due to writes. However, the complexity of implementation and the sharp increase in the coherence traffic when the number of processors increases limits the scalability of these protocols beyond a few dozen cores. In this thesis, we propose a new cache coherence protocol using a hybrid method to process write requests in the L1 private cache : for exclusive lines, the L1 cache controller chooses the write-back policy in order to modify locally the lines as well as eliminate the write traffic for exclusive lines. For shared lines, the L1 cache controller uses the write-through policy to simplify the protocol and in order to guarantee the scalability. We also optimized the current solution for the TLB coherence problem in the TSAR architecture. The new method which is called CC-TLB not only improves the performance, but also reduces the energy consumption. Finally, this thesis introduces a new micro cache between the core and the L1 cache, which allows to reduce the number of accesses to the instruction cache, in order to save energy