멀티미디어 명령어를 강화한 슈퍼스칼라 RISC 마이크로프로세서 구조

이용환(Yong Hwan Lee),문병인(Byung In Moon),이용석(Yong Surk Lee) 대한전자공학회 1999 대한전자공학회 학술대회 Vol.1999 No.11

Radix-4 SRT 알고리즘을 사용한 고성능 나눗셈 연산기의 설계

이원(Won Lee),이용환(Yong Hwan Lee),이용석(Yong Surk Lee) 대한전자공학회 1995 대한전자공학회 학술대회 Vol.1995 No.12

GF(2m)에서의 사칙연산을 수행하는 GFAU의 설계GF(2m)

김문경,이용석,Kim, Moon-Gyung,Lee, Yong-Surk 한국통신학회 2003 韓國通信學會論文誌 Vol.28 No.2A

This paper proposes Galois Field Arithmetic Unit(GFAU) whose structure does addition, multiplication and division in GF(2m). GFAU can execute maximum two additions, or two multiplications, or one addition and one multiplication. The base architecture of this GFAU is a divider based on modified Euclid's algorithm. The divider was modified to enable multiplication and addition, and the modified divider with the control logic became GFAU. The GFAU for GF(2193) was implemented with Verilog HDL with top-down methodology, and it was improved and verified by a cycle-based simulator written in C-language. The verified model was synthesized with Samsung 0.35um, 3.3V CMOS standard cell library, and it operates at 104.7MHz in the worst case of 3.0V, 85$^{\circ}C$, and it has about 25,889 gates. 본 논문에서는 GF(2m) 상에서의 ECC 암호화 알고리즘을 지원하기 위한 GFAU(Galois Field Arithmetic Unit)의 구조를 제안한다. GFAU는 GF(2m)상에서의 덧셈, 곱셈, 나눗셈을 수행하며 동시에 두 개의 덧셈이나 두 개의 곱셈, 또는 하나의 덧셈과 하나의 곱셈을 동시에 처리할 수 있는 능력을 가지고 있다. 기본 구조는 변형된 유클리드 알고리즘의 나눗셈기를 기반으로 제안되었으며, 이 기본구조에 곱셈기 및 덧셈기의 기능을 추가하여 제어부와 함께 구현되었다. GF(2193)을 위한 GFAU는 Verilog-HDL를 이용하여 하향식설계방식으로 구현되었고 C-언어로 작성된 사이클 단위 시뮬레이터를 이용하여 개선되고 검증되었다. 검증된 모델은 삼성 0.35um, 3.3V CMOS 표준 셀 라이브러리로 합성되었으며 최악조건 3.0V, 85$^{\circ}C$ 에서 104.7MHz의 주파수에서 동작하며, 전체 게이트 수는 약 25,889이다.

고성능 프로세서를 위한 카운터 기반의 캐시 교체 알고리즘

정도영,이용석,Jung, Do Young,Lee, Yong Surk 대한전자공학회 2013 전자공학회논문지 Vol.50 No.6

캐시 메모리의 성능에 큰 영향을 미치는 요소 중 하나인 캐시 교체 알고리즘 중에서 가장 최적의 성능을 가지는 알고리즘은 LRU알고리즘이다. LRU알고리즘은 데이터의 temporal locality특성이 강한 프로그램에서 좋은 성능을 보여주지만, 그렇지 않은 프로그램에서는 많은 캐시 미스를 발생시킨다. 본 논문에서는 LRU알고리즘의 이러한 단점을 개선하기 위한 새로운 카운터 기반 교체 알고리즘인 DCR(Dynamic Counter based Replacement) 알고리즘을 제안한다. 본 논문에서는 캐시에 저장된 이후로 교체되기 전까지 다시 사용되지 않는 데이터인 zero reuse line의 발생 추이를 관찰함으로써 프로그램의 temporal locality 특성이 시간에 따라 동적으로 변화함을 보였다. 그리고 이에 착안하여 제안하는 DCR 알고리즘은 주기적으로 zero reuse line의 수를 카운트하여 프로그램의 temporal locality 변화에 대응할 수 있도록 하였다. DCR 알고리즘은 기존의 LRU알고리즘과 비교하여 최대 2.7%, 평균 0.47%의 미스율 감소를 보였다. Replacement policy is one of the key factors determining the effectiveness of a cache. The LRU replacement policy has remained the standard for caches for many years. However, the traditional LRU has ineffective performance in zero-reuse line intensive workloads, although it performs well in high temporal locality workloads. To address this problem, We propose a new replacement policy; DCR(Dynamic Counter based Replacement) policy. A temporal locality of workload dynamically changes across time and DCR policy is based on the detection of these changing. DCR policy improves cache miss rate over a traditional LRU policy, by as much as 2.7% at maximum and 0.47% at average.

순차적 SMT Processor를 위한 Scoreboard Array와 포트 중재 모듈의 구현

허창용,홍인표,이용석,Heo, Chang-Yong,Hong, In-Pyo,Lee, Yong-Surk 대한전자공학회 2004 電子工學會論文誌-SD (Semiconductor and devices) Vol.41 No.6

SMT(Simultaneous Multi Threading)구조는 여러 개의 독립적인 쓰레드들로부터의 명령어들을 이용하여, 이슈 슬롯을 채울 수 있도록 하는 쓰레드 레벨 병렬 성을 사용함으로서, 결국 프로세서의 성능을 향상시킨다. 독립적인 여러 개의 준비된 쓰레드들을 갖는다는 것은 실행 유닛들이 무용의 상태로 남아 있는 가능성을 줄일 수 있다는 의미이며, 이러한 사항은 결국 프로세서의 효율성을 증가 시키게 된다. SMT 프로세서에서 그러한 이점을 이용하기 위해서는, 이슈 유닛은 서로 다른 쓰레드들로부터의 여러 명령어들 간의 흐름을 제어해서, 그러한 명령어들 사이에서 충돌이 일어나지 않도록 해야 하지만, 이러한 사실로 인해 SMT 프로세서의 이슈 로직은 매우 복잡해지게 된다. 따라서, 본 논문에서 제안된 SMT 구조는 순차적 이슈와 완료 방식을 채택하여, 복잡한 레지스터 리네이밍이나 재순차 버퍼 등을 사용할 필요가 없이 비교적 간단한 스코어보드 어레이만을 사용하는 이슈 구조를 사용할 수 있게 하였다, 그러나, 여전히 SMT용 스코어보드 구조는 일반적인 단일 쓰레드의 범용 프로세서의 경우보다는 훨씬 더 복잡하고 많은 비용이 소요된다. 본 논문은 ARM 기본의 순차적 SMT 아키텍처 상에서의 최적의 스코어보드메커니즘에 대한 구현을 제안한다. SMT(Simultaneous Multi Threading) architecture uses TLP(Thread Level Parallelism) and increases processor throughput, such that issue slots can be filled with instructions from multiple independent threads. Having multiple ready threads reduces the probability that a functional unit is left idle, which increases processor efficiency. To utilize those advantages for the SMT processors, the issue unit must control the flow of instructions from different threads and not create conflicts among those instructions, which make the SMT issue logic extremely complex. Therefore, our SMT architecture, which is modeled in this paper, uses an in-order-issue and completion scheme, and therefore, can use a simple issue mechanism with a scoreboard already instead of using register renaming or a reorder buffer. However, an SMT scoreboarding mechanism is still more complex and costlier than that of a single threaded conventional processor. This paper proposes an optimal implementation of a scoreboarding mechanism for an ARM-based SMT architecture.

SDR(Software Defined Radio)에 적합한 네트워크 코프로세서 구조의 설계

김현필,정하영,함동현,이용석,Kim, Hyun-Pil,Jeong, Ha-Young,Ham, Dong-Hyeon,Lee, Yong-Surk 한국통신학회 2007 韓國通信學會論文誌 Vol.32 No.2A

디지털 컨버전스가 이루어지면서 무선기기들 간의 호환성은 단말기의 중요한 특성이 되었고, SDR은 가장 필요한 기술이고 표준이다. 하지만 통신 프로토콜이 다른 무선 환경에서 호환성을 갖는 단말기를 하드웨어만을 이용한 ASIC이나 SoC로 만들기는 어려운 실정이다. 그래서 본 논문은 여러 통신 프로토콜을 가속화 시킬 수 있는 코프로세서의 구조를 제안하였다. 메인 프로세서와 쉽게 연동이 되고, 네트워크의 PHY 레이어에 특화된 코프로세서가 바로 그것이다. 통신 시스템에서 가장 많이 사용하는 변조 방식인 OFDM과 CDM을 사용하는 무선 랜 표준 IEEE802.11a와 IEEE802.11b를 모델링한 C 프로그램을 ARM cross 컴파일러를 이용해 컴파일 하였고, Simplescalar-Arm 버전을 이용해 시뮬레이션 및 프로파일을 수행하였다. 프로파일 결과 비터비 연산과 부동 소수점 복소수 연산이 가장 많은 연산을 차지하였다. 프로파일 결과를 바탕으로 비터비 연산과 부동 소수점 복소수 연산을 가속화 할 수 있는 코프로세서를 제안하여 명령어를 추가했으며, 추가된 명령어는 Simplescalar-Arm 버전을 이용해 시뮬레이션 하였다. 시뮬레이션 결과 ARM 코어 하나만 사용 했을 때보다 비터비 연산은 약 4.5배, 부동 소수점 복소수 연산은 약 2배의 성능 향상을 보였다. IEEE802.11a에서는 일반 ARM 코어보다 약 3배의 성능 향상을 보였고, IEEE802.11b에서는 약 1.5배의 성능 향상의 보였다. In order to become ubiquitous world, the compatibility of wireless machines has become the significant characteristic of a communication terminal. Thus, SDR is the most necessary technology and standard. However, among the environment which has different communication protocol, it's difficult to make a terminal with only hardware using ASIC or SoC. This paper suggests the processor that can accelerate several communication protocol. It can be connected with main-processor, and it is specialized PHY layer of network The C-program that is modeled with the wireless protocol IEEE802.11a and IEEE802.11b which are based on widely used modulation way; OFDM and CDM is compiled with ARM cross compiler and done simulation and profiling with Simplescalar-Arm version. The result of profiling, most operations were Viterbi operations and complex floating point operations. According to this result we suggested a co-processor which can accelerate Viterbi operations and complex floating point operations and added instructions. These instructions are simulated with Simplescalar-Arm version. The result of this simulation, comparing with computing only one ARM core, the operations of Viterbi improved as fast as 4.5 times. And the operations of complex floating point improved as fast as twice. The operations of IEEE802.11a are 3 times faster, and the operations of IEEE802.11b are 1.5 times faster.

UHF대역 RFID 수신단(리더)의 지터(비트동기) 및 글리치 제거회로 설계

김상훈,이용주,심재희,이용석,Kim, Sang-Hoon,Lee, Yong-Joo,Sim, Jae-Hee,Lee, Yong-Surk 한국통신학회 2007 韓國通信學會論文誌 Vol.32 No.1A

본 논문에서는 ISO/IEC 18000-6C 표준안을 만족하는 UHF대역 RFID 수신단(리더)의 지터(Jitter)처리와 글리치제거 알고리듬 및 설계방안을 제안하고 이를 이용한 리더를 구현하여 실제 TI(Texas instrument) Gen2 태그의 응답을 분석하였다. ISO/IEC 18000-6C표준안은 Reader에서 Tag로 데이터 전송 시 +/-1%의 오차와 Tag에서 Reader로 데이터 전송 시 최대 +/-22%의 오차를 허용하도록 정의하고 있다. 이러한 허용오차범위 내의 데이터에 대해 본 논문에서 제시한 회로는 기존의 PLL(DPLL, ADPLL)을 이용한 방식이 아닌 최대허용치(tolerance)와 허용치누적을 이용하여 일정치의 오차범위를 허용하며 디코딩 하도록 설계하였다. 또한 글리치와 지터제거 알고리듬의 기본원리를 동일하게 구성하여 글리치제거와 지터제거를 따로 구분하지 않고 하나의 기능으로 동작하게 한다. 주 클럭은 19.2MHz로 설정하였으며 LF는 국내 전파법에 맞도록 40kHz로 설정하였다 시뮬레이션결과 15%이하의 위상지터를 가진 입력데이터에 대해 판독에러율은 0이었으며 $15%{\sim}22%$ 위상지터를 가진 입력데이터에 대해서 는 0.000589였다. 그러나 동적LF생성회로를 사용한 결과 $15%{\sim}22%$ 위상변화를 가진 입력데이터에 대해 판독에러율은 0이었으며 표준안에 정의된 최대 +/-22%오차 범위내의 지터 발생에 대해서 판독에러율은 0이었다. In this paper, we propose an implementation and an algorithm of 'Jitter and Glitch Removing Circuit' for UHF RFID reader system based on ISO/IEC 18000-6C standard. We analyze the response of TI(Texas Instrument) Gen2 tag with a reader using the proposed algorithm. In ISO/IEC 18000-6C standard, a bit rate accuracy(tolerance) is up to +/-22% during tag-to-interrogator communication and +/-1% during interrogator-to-tag communication. In order to solve tolerance problems, we implement the Jitter and Glitch Removing Circuit using the concept of tolerance and tolerance-accumulation instead of PLL(DPLL, ADPLL). The main clock is 19.2MHz and the LF(Link Frequency) is determined as 40kHz to meet the local radio regulation in korea. As a result of simulations, the error-rate is zero within 15% tolerance of tag responses. And in the case of using the adaptive LF generation circuit, the error-rate varies from 0.000589 to zero between 15% and 22% tolerance of tag responses. In conclusion, the error-rate is zero between 0%-22% tolerance of tag response specified in ISO/IEC 18000-6C standard.

네트워크 패킷 처리를 위한 효율적인 비트 스트림 명령어 세트

윤여필(Yeo Phil Yoon),이용석(Yong Surk Lee),이정희(Jung Hee Lee) 대한전자공학회 2008 電子工學會論文誌-SD (Semiconductor and devices) Vol.45 No.10

본 논문은 네트워크 프로세서의 패킷 처리 능력 향상을 위한 새로운 명령어 세트를 제한한다. 제안하는 명령어는 패킷 헤더의 결합 연산을 가속화 할 수 있으므로 보다 효율적인 패킷 처리를 수행할 수 있다. 또한 overlay 명령어 처리를 위한 전용하드웨어 구조를 설계하여 추가 하드웨어로 인한 비용을 최소화 하였다. 이를 위해 LISA 언어를 이용하여 네트워크 프로세서기본 아키텍처를 설계하고 overlay 블록을 배럴 시프터를 기반으로 최적화 하였다. 이를 합성하여 면적 및 동작 지연시간을 비교하였으며, 컴파일러의 CKF(Compiler Known Function)를 이용하여 C레벨의 매크로 함수에 할당하고 어플리케이션 프로그램에 대한 실행 사이클 및 실행 시간을 비교하여 성능 향상을 확인하였다. Coware사의 processor designer, compiler designer를 이용하여 실험하였으며 Synopsys의 TSMC 0.25um로 합성한 결과 20.7%의 동작 지연시간 감소를 보였고, 전체 실행 사이클에선 제안하는 명령어 세트에 의해 30.8%의 성능 향상을 보였다. This paper proposes a new set of instructions to improve the packet processing capacity of a network processor. The proposed set of instructions is able to achieve more efficient packet processing by accelerating integration of packet headers. Furthermore, a hardware configuration dedicated to processing overlay instructions was designed to reduce additional hardware cost. For this purpose, the basic architecture for the network processor was designed using LISA and the overlay block was optimized based on the barrel shifter. The block was synthesized to compare the area and the operation delay, and allocated to a C-level macro function using the compiler known function (CKF). The improvement in performance was confirmed by comparing the execution cycle and the execution time of an application program. Experiments were conducted using the processor designer and the compiler designer from Coware. The result of synthesis with the TSMC (0.25 ㎛) from Synopsys indicated a reduction in operation delay by 20.7% and an improvement in performance of 30.8% with the proposed set of instructions for the entire execution cycle.

고성능 프로세서를 위한 카운터 기반의 캐시 교체 알고리즘

정도영(Do Young Jung),이용석(Yong Surk Lee) 대한전자공학회 2013 전자공학회논문지 Vol.50 No.4

캐시 메모리의 성능에 큰 영향을 미치는 요소 중 하나인 캐시 교체 알고리즘 중에서 가장 최적의 성능을 가지는 알고리즘은 LRU알고리즘이다. LRU알고리즘은 데이터의 temporal locality특성이 강한 프로그램에서 좋은 성능을 보여주지만, 그렇지 않은 프로그램에서는 많은 캐시 미스를 발생시킨다. 본 논문에서는 LRU알고리즘의 이러한 단점을 개선하기 위한 새로운 카운터 기반 교체 알고리즘인 DCR(Dynamic Counter based Replacement) 알고리즘을 제안한다. 본 논문에서는 캐시에 저장된 이후로 교체되기 전까지 다시 사용되지 않는 데이터인 zero reuse line의 발생 추이를 관찰함으로써 프로그램의 temporal locality 특성이 시간에 따라 동적으로 변화함을 보였다. 그리고 이에 착안하여 제안하는 DCR 알고리즘은 주기적으로 zero reuse line 의 수를 카운트하여 프로그램의 temporal locality 변화에 대응할 수 있도록 하였다. DCR 알고리즘은 기존의 LRU알고리즘과 비교하여 최대 2.7%, 평균 0.47%의 미스율 감소를 보였다. Replacement policy is one of the key factors determining the effectiveness of a cache. The LRU replacement policy has remained the standard for caches for many years. However, the traditional LRU has ineffective performance in zero-reuse line intensive workloads, although it performs well in high temporal locality workloads. To address this problem, We propose a new replacement policy; DCR(Dynamic Counter based Replacement) policy. A temporal locality of workload dynamically changes across time and DCR policy is based on the detection of these changing. DCR policy improves cache miss rate over a traditional LRU policy, by as much as 2.7% at maximum and 0.47% at average.

두레 : 분산시스템을 위한 병행연산모델

김대권,박충식,이임건,이용석,박규태,Kim, Dae-Gwon,Park, Choong-Shik,Lee, Im-Geun,Lee, Yong-Surk,Park, Kyu-Tae 대한전자공학회 1994 전자공학회논문지-B Vol.b31 No.11

문제의 병행처리를 위한 모델링 방법과 문제의 병행성을 동적 환경에서 자동으로 검출하기 위하여 병행 연산모델 두레를 설계하고 두레언어 DL로 구현하였다. 두레모델은 문제의 모델링과 연산수행을 위해 단순하고 일관된 개념의 객체 정의와 메시지 전송개념을 지원한다. 문제의 병행처리를 프로그램에 명시하지 않고도 암시적으로 지원할 수 있도록 병행성의 검출 기준을 제안하였으며, 동적 환경에서 병행객체를 생성하여 최대한의 병행성을 보장하도록 하였다. 또한 객체의 연산 진행을 효율적으로 보장해 줄 수 있도록 Waiting Variable의 개념을 제안하였다. A concurrent computation model Doorae and its description language DL are developed to model problems of parallel and distributed systems. Doorae model has simple and uniform concepts of object and message passing for problem modeling and computation. A method for detecting parallelism implicitly. with no exact description of parallelism in program. is proposed. Furthermore, the method assures the maximum parallelism in dynamic environment by creating concurrent objects. Also a concept of Waiting Variable to insure maximum computation efficiency of objects is proposed.