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[crowdsupply.git] / updates / 003_2018dec04_microarchitecture.mdwn
index e97788ad4bbe77b2688c49fea3b3ce2a8ad94208..84bb5b0937ce3c7c7a8ec6c7be977341c23f65bd 100644 (file)
@@ -29,11 +29,12 @@ another uses register 10, *both* of them could actually be "redirected"
 to use register 112, for example.  One of those could even be changed
 to 32-bit operations whilst the other is set to 16-bit element widths.
 
-Our initial thoughts were to try a standard simple in-order SIMD architecture,
+Our initial thoughts advocated a standard simple in-order SIMD architecture,
 with predication bits passed down into the SIMD ALUs.  If a bit is "off",
 that "lane" within the ALU does not calculate a result, saving power.
-However, a pre-analysis engine is required that re-orders the registers,
-packs lanes of data together so that it fits into one SIMD ALU, and, on
+However, in SV, when the element width is set to 32, 16 or 8-bit, a
+pre-issue engine is required that re-orders *parts* of the registers,
+packing lanes of data together so that it fits into one SIMD ALU, and, on
 exit from the ALU, it may be necessary to split and "redirect" parts of the
 data to *multiple* actual 64-bit registers.  In other words, bit-level
 (or byte-level) manipulation is required, both pre- and post- ALU.
@@ -48,10 +49,17 @@ different paradigm from standard vector processors, where a loop allocates
 elements to "lanes", and if a predication bit is not set, the lane
 runs "empty".  By contrast, with the multi-issue execution model, an
 operation that is predicated out means that the element-based instruction
-simply does not make it into the instruction queue.
+does not even make it into the instruction queue, leaving it free for
+use by following instructions, even in the same cycle, and even if the
+operation is totally different.  Thus, unlike in a
+traditional vectore architecture, ALUs may be occupied by elements from 
+other "Lanes", because the pre-existing decoupling between the multi-issue
+instruction queue and the ALUs is efficiently leveraged.
 
 Simple!
 
+# Tomasulo Algorithm and Reorder Buffers
+
 There are many other benefits to a multi-issue microarchitecture, and
 these are being discussed
 [here](http://lists.libre-riscv.org/pipermail/libre-riscv-dev/2018-December/000198.html)
@@ -65,6 +73,8 @@ to hit a speed wall.  That in particular means that, firstly, it's extremely
 commonly taught in Universities, and, secondly, patents on the algorithm
 have long since expired.
 
+[[reorder_buffer.jpg]]
+
 Also, there are both memory hazards and register hazards that a Reorder
 Buffer augmented Tomasulo algorithm takes care of, whilst also allowing
 for branch prediction and really simple roll-back, preservation of
@@ -73,11 +83,109 @@ and, crucially, some ALUs may take longer than others, and the algorithm
 simply does not care.  In addition, there may be a really simple way to
 extend the Reorder Buffer tags to accomodate SIMD-style characteristics.
 
-We also may need to have simple Branch Prediction, because some of the
-loops in [Kazan](https://salsa.debian.org/Kazan-team/kazan/) are particularly
-tight.  A Reorder Buffer can easily be used to implement Branch Prediction,
-because, just as with an Exception, the ROB needs to be cleared out
-(flushed) if the branch is mispredicted.  As it is necessary to respect
-Exceptions, the logic has to exist to clear out the ROB: Branch Prediction
-simply uses this pre-existing logic.
+We also may need to have simple Branch Prediction, because some of
+the loops in [Kazan](https://salsa.debian.org/Kazan-team/kazan/)
+are particularly tight.  A Reorder Buffer (ROB) can easily be used
+to implement Branch Prediction, because, just as with an Exception,
+the ROB can to be cleared out (flushed) if the branch is mispredicted.
+As it is necessary to respect Exceptions, the logic has to exist to
+clear out the ROB: Branch Prediction simply uses this pre-existing logic.
+
+The other way in which out-of-order execution can be handled is called
+scoreboarding, as well as explicit register renaming.  These schemes
+seem to have significant disadvantages and complexities when compared
+to Reorder Buffers:
+
+* Explicit Register renaming needs a global register file quite a bit larger
+  than the "actual" one.  The Libre RISC-V SoC already has two whopping
+  great 128-entry 64-bit register files.
+* In-order scoreboarding actually *delays* instruction execution (all of it)
+  until such time as the source registers and all other dependencies are
+  ready.  The idea seems to be that the register renaming "should have taken
+  care of" as many of these dependencies as possible, in advance.
+* Unlike Tomasulo with Reorder buffers, there does not appear to be
+  any assistance in dealing with memory LOAD/STOREs.
+* There's no clear way to handle branch prediction, where the Reorder
+  Buffer of Tomasulo handles it really cleanly.
+
+However there are downsides to Reorder Buffers:
+
+* The Common Data Bus may become a serious bottleneck, as it delivers
+  data from multiple ALUs which may be generating results simultaneously.
+  To keep up with result generation, *multiple* CDBs may be needed, which
+  results in each receiver having multiple ports
+* The Destination field in the ROB has to act as a key in a CAM (Content
+  Addressble Memory).  As a result, power consumption of the ROB may be
+  quite high.  It may or may not be possible to reduce power consumption
+  by testing an "active" bitfield (separate from but augmenting the ROB)
+  to indicate whether Destination Registers are in use.  If inactive,
+  the CAM lookup need not take place.
+
+Whilst nothing's firmly set in stone, here, as we have a Charter that
+requires unanimous decision-making from contributors, so far it's leaning
+towards Reorder Buffers and Tomasulo as a good, clean fit.  In part that
+is down to more research having been done on that particular algorithm.
+For completeness, scoreboarding and explicit register renaming need
+to be properly and comprehensively investigted.
+
+# Scoreboarding
+
+[Scoreboards](https://en.wikipedia.org/wiki/Scoreboarding) are an
+effort to keep "score" of whether an instruction has all of its
+operands (and the hardware that uses them) ready to go, without conflict.
+Everything about the scheme, unfortunately, says that it is an incomplete
+mechanism.  Unlike the Tomasulo algorithm when augmented with a Reorder
+Buffer, there's no way to "undo" a completed operation: the operation
+proceeds and modifies registers or memory, in an out-of-order fashion,
+regardless of consequences.  If an exception occurred *tough*!
+
+Hence, it was quite hard to accept scoreboarding enough to understand it.
+It wasn't until
+[this message](http://lists.libre-riscv.org/pipermail/libre-riscv-dev/2018-December/000223.html)
+that I realised that there is near-direct equivalence between the features
+of scoreboarding and the Tomasulo Algorithm.  It's not complete equivalence,
+because the Reorder Buffer is what keeps everything transactional and clean.
+However, at least the scoreboard does have direct equivalence to the
+Reservation Station concept: the scoreboard records whether the source
+registers are ready or not (and so does the Reservation Station).
+
+The problem is: there are far too many things missing from the scoreboard
+concept:
+
+* Register-renaming has to be done separately (the Tomasulo Reservation
+  Stations, in combination with the ROB, handle that implicitly).
+* Scoreboarding introduces the concept of "waffly exceptions"
+  (the ROB can even record exceptions that are only actioned if they
+  make it to the head of the queue).
+* Scoreboarding does not provide a means to do multi-issue (the ROB
+  does: you just put more than one entry per cycle into the buffer)
+
+# Next step
+
+The project is being run along ethical lines.  That in particular means
+unanimous decision-making.  Nobody gets to over-rule anyone else: everyone
+matters, and everyone's input matters.  So if I, personally, think that
+Tomasulo is better, it's up to me to keep on researching and evaluating
+and reasoning until I have convinced everyone else... or they have convinced
+me otherwise.
+
+I have it on good authority from some extremely comprehensive research
+that this is a hell of a lot better way to do decision-making than
+"mob-rule" voting.  "Mob-rule" voting (aka "democracy") basically
+*automatically* destroys the morale and discounts the will of the
+"minority".  No wonder democratic countries have "Minority Representation
+Political Groups", because it's heavily brainwash-ingrained into people
+living in such countries that the "Minority" view *shall* be disregarded;
+of *course* they feel the need to shout and get angry!
+
+Learning from these mistakes, which are often copied and reflected
+in Software Libre groups, is I feel very important, to try something
+different.  In previous Libre projects that I've run, I was the
+kind-of informal "technical lead", where I never actually defined any
+guidelines or rules about how the project should make decisions: basically
+I let people do what they liked unless it disrupted the project for
+everyone else.  I set myself up as the "arbitrator", so to speak.
+The way that this project will be run is very much new and experimental,
+even to me.  We'll see how it goes.
+