Running CoreMark on SonicBOOM Simulator

Luffcaでは、アウトオブオーダ実行スーパースカラのRISC-V CPUであるSonicBOOMのSFB（Short-Forwards Branch）最適化を有効化したシミュレータを作成し、CoreMarkを実行しました。
結果は、ee_u32をunsigned intからsigned intに変更した場合と変更しない場合において、それぞれCoreMark/MHz 6.89と6.45でした。
これらの結果は、SonicBOOMが6.2 CoreMark/MHzの公称値を達成できることを示しています。

BOOM

Berkeley Out-of-Order Machine（BOOM）は、前回の記事で紹介したChipyardに含まれるRTLジェネレータの一つで、アウトオブオーダ実行スーパースカラのRISC-V CPUを生成することができます。
現在は、SonicBOOMとも呼ばれるBOOMv3（BOOM version3）です。
SonicBOOMのCoreMark/MHzの公称値は、6.2です。

SFB optimization

SFB（Short-Forwards Branch）最適化は、SonicBOOM: The 3rd Generation Berkeley Out-of-Order Machineにおいて、以下のように記述されています。

As an example, SonicBOOM achieves 6.15 CoreMark/MHz with the SFB optimization enabled, compared to 4.9 CoreMark/MHz without.

ところが、このSFB最適化が、デフォルトでは有効になっていません。

BOOM Simulator

作成したBOOMシミュレータは、Verilatorを使用する以下の2つのシミュレータです。

• simulator-chipyard-MegaBoomConfig: デフォルト（SFB最適化なし）
• simulator-chipyard-MegaBoomConfig-SFB: SFB最適化あり

BOOMの構成にはいくつかの種類がありますが、4-wide BOOM構成のMegaBoomシミュレータを作成しました。

CoreMark

CoreMarkは、Chipyardに含まれているriscv-coremarkをベースにしています。
下の表に示すように、4種類のCoreMarkをビルドしました。それらは、CFLAGSが-O2と-O3の2種類、ee_u32がデフォルトのunsigned intとsigned intの2種類の組み合わせです。

		ee_u32
		unsigned int	signed int
CFLAGS	-O2	coremark.o2-u32	coremark.o2-s32
	-O3	coremark.o3-u32	coremark.o3-s32

なお、CoreMarkのITERATIONSは10、CoreMarkのビルドにはGCC 11.1.0を使用しています。

Running CoreMark on BOOM Simulator

Default ee_u32

下の表は、ee_u32にunsigned intを使用するデフォルトのCoreMarkを用いた結果を示しています。

CoreMark/MHz		SFB Optimization
		Disabled	Enabled
CFLAGS	-O2	5.49	6.45
	-O3	5.94	5.97

SFB最適化ありのBOOMシミュレータは、-O2でビルドしたCoreMarkの実行時に、公称値の6.2 CoreMark/MHzを上回る6.45 CoreMark/MHzを達成しています。
これに対し、SFB最適化なしのBOOMシミュレータは、-O3でビルドしたCoreMarkの実行時に、5.94 CoreMark/MHzです。

以下は、-O2でビルドしたCoreMarkを実行した時のSFB最適化ありBOOMシミュレータの出力です。

$ ./simulator-chipyard-MegaBoomConfig-SFB coremark.o2-u32
This emulator compiled with JTAG Remote Bitbang client. To enable, use +jtag_rbb_enable=1.
Listening on port 37541
[UART] UART0 is here (stdin/stdout).
2K performance run parameters for coremark.
CoreMark Size    : 666
Total ticks      : 1551464
Total time (secs): 1551464
Iterations/Sec   : 0
Iterations       : 10
Compiler version : GCC11.1.0
Compiler flags   : -O2 -fno-builtin -mcmodel=medany -static -std=gnu99 -fno-common -nostdlib -nostartfiles -lm -lgcc -T ../riscv64-baremetal/link.ld   
Memory location  : Please put data memory location here
			(e.g. code in flash, data on heap etc)
seedcrc          : 0xe9f5
[0]crclist       : 0xe714
[0]crcmatrix     : 0x1fd7
[0]crcstate      : 0x8e3a
[0]crcfinal      : 0xfcaf
Correct operation validated. See README.md for run and reporting rules.
mcycle = 1589202
minstret = 3569373

CoreMarkの10回の繰り返しがTotal ticks欄の1,551,464サイクルなので、上の表のように、CoreMark/MHzは6.45になります。

Modified ee_u32

下の表は、ee_u32にsigned intを使用するCoreMarkを用いた結果を示しています。

CoreMark/MHz		SFB Optimization
		Disabled	Enabled
CFLAGS	-O2	5.84	6.89
	-O3	6.27	6.31

SFB最適化ありのBOOMシミュレータのCoreMark/MHzは、-O2でビルドしたCoreMarkの実行時に、公称値の6.2を上回る6.89です。

下の図は、-O2でビルドしたCoreMarkを実行した時のSFB最適化ありのBOOMシミュレータの出力です。

CoreMarkの10回の繰り返しがTotal ticks欄の1,451,480サイクルなので、上の表のように、CoreMark/MHzは6.89になります。

まとめ

Luffcaでは、SFB（Short-Forwards Branch）最適化を有効化したSonicBOOMのシミュレータを作成し、CoreMarkを実行しました。
結果は、ee_u32をunsigned intからsigned intに変更した場合と変更しない場合において、それぞれCoreMark/MHz 6.89と6.45でした。
これらの結果は、SonicBOOMが6.2 CoreMark/MHzの公称値を達成できることを示しています。