最近在学习 Firesim ，其中对我自己科研很重要的一个功能便是 FASED 提供了 Memory Timing Model 的模拟。因为之前和别人合作论文曾被审稿人提出过 100MHz FPGA 使用 1600MHz 的内存，使得内存的延迟非常低，其性能表现像是一个大的 LLC Cache 而不是真实的内存，导致访存性能与真实 ASIC…
浅谈早期 Fault Tolerance 虚拟机原理
背景 最近遇到了一些灵车硬件损坏问题，包括自己的台式机 13900K CPU 突然死机后重启就出现 CPU soft lockup，再重启直接无法点亮；自己的旧台式机出现 Correctable ECC 报错（感谢AMD消费级CPU也部分支持ECC）；以及一台别人的服务器上解压tar.gz包出现了CRC错误。一周内的这些经历使我开始思考云计算场景如何Tolerance这些奇怪的硬件损坏问题，于是看到了一篇VMWare vSphere 4（2010）年代的论文——The Design of a Practical System…
DDR4与HBM在UltraScale+ HBM上的IOPS测试
最近一个科研 idea 需要 measure 一些内存器件的 latency 数据，因此用 FPGA 对主流的内存器件的访问 Latency 进行了一个调研，诚然这样的结果和 FPGA 上具体 Memory Controller 的 IP 实现有关，但也可以作为一个参考，相信…
Augury: Using Data Memory-Dependent Prefetchers to Leak Data at Rest 阅读笔记
概述 这是一篇发表在 Oakland’22 ( aka IEEE S&P ) 的文章，讲的是在 Apple M1 上发现了前所未有的 Data Memory-Dependent Prefetcher （下称 DMP ），该预取器也带来了前所未有的侧信道攻击。作者对…
sPIN: High-performance streaming Processing in the Network 阅读笔记
这是一篇来自 SCPL@ETHZ 组在 SC’17 上的一篇文章。主要想法是在 RDMA 网卡上加入一个处理器用来 Offloading 一部分数据移动任务，并在 LogGOPSim 与 gem5 上进行了实验。 原文链接 Motivation 当前高能效处理器组成的高度可扩展的系统发展带来了总线互联的压力。例如在 400Gbps 的网络中，一个…
Draco(MICRO’20) Architectural and Operating System Support for System Call Security 阅读笔记
要解决的问题 Linux内核提供了seccomp来对syscall权限进行检查，被广泛应用在容器、沙盒等多种场景，例如Docker和Android。但原版seccomp的实现是通过BPF对定义的规则一条条进行检查，如下图所示，十分低效： 同时，作者也进行了一系列的benchmark发现这样的检查带来了较大的开销： 其中，左边的docker-default指的是Docker默认使用的seccomp-profile，syscall-noargs指的是使application-specific profile但只检查syscall id而不检查参数，而syscall-complete就在noargs的基础上加上参数检查，最后加上-2x的后缀表示的是这些检查复制2次，来建模更复杂的安全检查场景。 可以看出，seccomp检查带来的开销即使是对于像nginx这样的macro-benchmarks也是比较大的，但现有的seccomp使用BPF，规则十分灵活，因此需要针对这种灵活的规则设计一种加速的方法。 Observation 检查系统调用ID会给Docker容器中的应用带来明显(noticeable)的性能开销。 检查系统调用参数比只检查系统调用ID的开销大得多(significantly more expensive)。 规则加倍，开销加倍。 syscall with 相同id和参数存在局部性（下图指明了实验中的距离） 解决方法 为了解决这个问题，作者引入了一个Fast…
聊聊内存序
最近读完了 A Primer on Memory Consistency and Cache Coherence这本书，写一篇文章结合我个人了解的其他知识总结一下内存序。 文章假定读者学习了基本的体系结构。 概念 Cache Coherence 相信大家对Cache有一个基本的理解。但这里需要引出一个新的概念，共享内存中的Private Cache。 即使是简单的单核处理器，往往L1 I-Cache与D-Cache也是Private的。因为IFU（取指单元）与LSU（访存单元）通常分布在处理器流水线的不同阶段，它们可能需要同时访问。既然是Private，这个时候如果我们通过访存指令写入了一些指令（通过D-Cache）到某个内存地址，而这个地址已经在I-Cache中，结果就在取指时有可能取到旧值，如何解决这一问题？ 也许L1…
在Xilinx FPGA上搭建SoC
背景 之前出于科研需求和龙芯杯比赛需求都自己搭建过SoC来运行CPU软核，整理一下我的搭建SoC的流程。以下的讨论基于MIPS和RISC-V两种软核ISA为例。 大家也可以参考我搭建的两个SoC以及对应的软件： cyysoc （RISC-V Rocket+Coherent DMA） pblaze_soc 某大船SSD上的xc7k325t-2 FPGA+2G 72bit DDR3 ECC 用了某个PCI-E引出到SFP接口的扩展板，连接光模块/电口模块提供网络 PCI-E和SFP的IO在FPGA上都是GTX 用了某个该板子的IO接口转USB UART的扩展板 扩展板上面还有rgmii…
浅谈现代处理器实现超大L1 Cache的方式
浅谈现代处理器实现超大L1 Cache的方式 昨天观看WWDC时看到Apple M2处理器的L1 Cache大小已经达到了192K+128K，这不禁使我产生好奇，Apple如何做到这一点。（尽管事后发现M1处理器已经实现了，但那时的我还不懂电路上的困难。） 超大L1 Cache是一件复杂的事情，对于L1 Cache，我们都希望它的访问延迟尽可能低。而由于我们目前的处理器和操作系统采用的虚拟内存分页机制，在使用虚拟地址访问内存时，需要首先得到对应虚拟地址的物理地址，这就导致在一条访存指令算出访存的虚拟地址后，我们首先需要查询TLB，而若查询TLB再将地址送入缓存，无疑增加了访问延迟。而对于许多高性能设计的处理器而言，L1 Cache的访问往往是制约处理器频率的主要关键路径，因此涉及到L1 Cache的电路路径都需要非常慎重考虑具体设计的路径长度。 基于目前CPU中的Cache主要采用组相连的结构，在该结构上解决方法通常采用VIPT的方式，即Virtually Indexed Physically Tagged。如下图所示，通过虚拟地址的一部分作为访问Cache的索引，同时将虚拟地址送入TLB中，这样我们就实现了电路上访问Cache与访问TLB的并行，在访问结束后对比TLB输出的物理地址高位与Cache访问得到的物理地址Tag，就完成了缓存是否命中的判断。 VIPT Cache在具体实现时，我们需要考虑缓存重名的问题。例如CPU上运行着2个进程有一个共享内存，这块共享内存对应着一块物理地址，但在2个进程中的虚拟地址不同，而如果CPU只是简单地将两份虚拟地址的数据都直接保存在缓存中，就会导致缓存不一致的问题。 SOTA的大部分处理器并未解决该问题（例如我们常见的Intel和AMD），只是将VIPT简化为伪VIPT。因为在许多ISA的虚拟内存管理中，最小页面大小为4KB，因此，我只需要保证作为Index的部分在虚拟地址的低12位内（即4KB内）即可。不过，这种方法导致L1 Cache中单路的大小无法超过MMU规定的最小页面大小，而组相连的场景下，随着路数增加，电路上判断并选择带来的电路长度也随之增加，同样提高了电路的延迟，导致频率的降低或划分流水线阶段后IPC（Instructions…
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