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ADR-0031: PhysAddr PE-Resource Extension

Status

Stub (Blocker for ADR-0030 — specific range allocations TBD)

Context

목표

ADR-0001의 PhysAddr schema를 PE 내부의 다양한 resource를 체계적으로 표현할 수 있도록 확장한다. ADR-0030 (IPCQ PhysAddr integration) 및 향후의 PE-local resource 추가 (scratchpad, register file, status register, 등)의 기반을 제공한다.

현재 상태 (ADR-0001)

51-bit PhysAddr layout:

[50:47] rack_id  (4)
[46:43] sip_id   (4)
[42:38] sip_seg  (5)   # cube_id
[37:0]  local_offset (38)

local_offset (38 bits) 내부:

• [37] selector: 1 = HBM window (128GB), 0 = PE resource window
• PE resource window는 unit_type (3 bits: PE | MCPU | SRAM) + pe_id (4 bits) + ext (1 bit) + sub_offset (29 bits)

Factory API:

• PhysAddr.hbm_addr(...) — HBM generic
• PhysAddr.pe_hbm_addr(...) — PE-local HBM slice
• PhysAddr.pe_tcm_addr(...) — PE TCM (via UnitType.PE + sub_offset)
• PhysAddr.cube_sram_addr(...) — Cube-shared SRAM

풀어야 할 문제

1. PE 내부 resource 구분의 명시적 체계 부재: 현재 local_offset (38 bits) 이 평면 공간으로 취급되고, PE TCM / IPCQ ring / scratchpad / 향후 register file 등이 관습적 offset 범위로만 구분됨. Schema 레벨에서 명확하지 않음.
2. IPCQ 주소의 PhysAddr 표현 부재: ADR-0030이 IPCQ ring buffer를 PhysAddr로 표현하려면 "이 주소가 IPCQ 영역"을 decode 가능해야 함. 현재는 불가.
3. 향후 PE resource 확장 경로: register file, performance counter 등 추가 시 일관된 위치 할당 규칙 필요.

설계 방향 — local_offset을 PE 컴포넌트별 range로 분할

local_offset (38 bits = 256GB per PE segment)을 PE 컴포넌트마다 고정 range로 나누어 할당한다. 각 range는 해당 컴포넌트 전용 주소 공간이며, PhysAddr.decode()가 주소가 어느 range에 속하는지 판별해 해당하는 kind / unit_type / sub_type 필드를 채운다.

개념적 구조 (구체적 bit 할당은 TBD):

local_offset [37:0]  (38 bits total)
├── HBM window           [37] = 1    (기존 128GB)
├── PE component ranges  [37] = 0
│   ├── TCM              [range_1]
│   ├── IPCQ rings       [range_2]
│   ├── Scratchpad       [range_3]
│   ├── Register file    [range_4]
│   ├── (reserved)       ...
│   └── Sideband / status [range_N]

왜 range-based partition인가

• Schema-level 명시성: 주소 하나 보고 어느 컴포넌트의 자원인지 decode 가능. "Routing consumes decoded domains" (ADR-0001 D5) 계약 충족.
• Unit type enum 확장보다 유연: 3-bit UnitType 공간을 고갈시키지 않고 세분화 가능. 미래 추가 컴포넌트도 빈 range 할당.
• Allocator 통합 자연: 각 PE-level allocator가 관리하는 하위 pool을 address range와 1:1 매칭 (e.g., reserve_ipcq_tcm() → IPCQ range 안에서만 할당).
• Decode routing 단순: PhysAddr.decode(addr)가 range table을 참조해 kind + sub-field를 채움. 기존 HBM selector bit 패턴의 일반화.

왜 지금 다루는가

• ADR-0030 (IPCQ PhysAddr 통합)이 이 확장에 의존. ADR-0030 단독 진행 시 sub_offset 공간을 불투명하게 재사용하게 되어 ADR-0001 계약 미충족.
• PE 내부 자원이 더 추가될 가능성 — 지금 구조를 정리해두면 일관된 확장 경로 확보.

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Decision (pending specific range allocation)

D1. Range-based local_offset partition — approach

local_offset을 고정 byte range로 분할하고, 각 range를 PE 컴포넌트에 할당한다. 주소의 어느 range에 속하는가로 kind / component type을 결정.

# src/kernbench/policy/address/phyaddr.py (conceptual, post-extension)
@dataclass(frozen=True)
class PeResourceRange:
    name: str                # e.g. "tcm", "ipcq", "scratchpad", "regfile"
    start_offset: int        # local_offset 내 시작
    end_offset: int          # exclusive
    byte_size: int           # end - start

PE_RESOURCE_MAP: tuple[PeResourceRange, ...] = (
    # TBD — 구체적 range 할당은 사용자가 별도 업데이트
)

PhysAddr.decode(addr)의 PE resource 경로는:

def decode_pe_resource(local_offset: int) -> dict:
    for r in PE_RESOURCE_MAP:
        if r.start_offset <= local_offset < r.end_offset:
            return {
                "kind": "pe_resource",
                "component": r.name,                 # NEW: "tcm"/"ipcq"/...
                "component_offset": local_offset - r.start_offset,  # within range
            }
    raise PhysAddrError(f"local_offset {local_offset} not in any PE range")

D2. Specific range allocations — TBD

사용자가 구체적 byte 할당을 별도로 정의한 뒤 본 ADR에 업데이트.

필요 정보:

• 각 컴포넌트 (TCM, IPCQ, scratchpad, regfile, ...)의 이름 / byte size
• local_offset 내 시작 offset (align 고려)
• 현재 하드웨어 사양 / 시뮬레이션 요구 반영

이 섹션이 채워진 뒤 ADR status: Stub → Proposed → Accepted 승격.

D3. Factory API — per-component 함수

기존 PhysAddr.pe_tcm_addr(...) 패턴을 일반화:

# 기존 (이미 존재)
PhysAddr.pe_tcm_addr(rack_id, sip_id, cube_id, pe_id, tcm_offset)

# 신규 (ADR-0031 후 추가)
PhysAddr.pe_ipcq_addr(rack_id, sip_id, cube_id, pe_id, ipcq_offset)
PhysAddr.pe_scratchpad_addr(...)
PhysAddr.pe_regfile_addr(...)
# ...

각 factory는 해당 컴포넌트의 range 내에서 component_offset만 받아 최종 PhysAddr encoding. 호출자는 어느 range인지 몰라도 됨.

D4. Backward compatibility

• 기존 pe_tcm_addr() signature / semantic 유지.
• 내부 인코딩만 신규 range table을 참조하도록 변경.
• 기존 UnitType.PE decoding 경로는 PE_RESOURCE_MAP에서 "tcm" range를 대응하도록 매핑 → 기존 코드 transparent.
• 기존 코드가 PhysAddr.decode(addr).unit_type == UnitType.PE를 체크하는 경우는 여전히 유효 (TCM 주소는 계속 PE unit_type).

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Open questions

🔴 Pending user input (ADR 승격 blocker)

• D2의 specific range allocation: 사용자가 구체적 byte 할당 테이블을 제공해야 Stub → Proposed 승격 가능. 필요 정보:
  • 컴포넌트 목록 (TCM, IPCQ, scratchpad, regfile 등)
  • 각 컴포넌트의 byte size / 시작 offset
  • Alignment 요구사항 (4KB / page-aligned 등)

🟡 설계 세부 — range allocation 결정 과정에서 함께 결정

• 총 local_offset space 배분: HBM window (bit 37 = 1, 128GB)을 유지할지, 아니면 PE resource space를 확장하기 위해 HBM window 축소할지.
• Range padding / reserved space: 미래 컴포넌트 추가를 위한 "reserved" range 몇 개를 미리 확보할지.
• Address alignment: 각 range의 시작 offset이 특정 alignment (page / cache line) 만족해야 하는지.
• Diagnostic / debug 포맷: PhysAddr.decode() 출력에서 component 이름 + component_offset을 사람이 읽기 좋게 표시 (e.g., "IPCQ ring sip=0 cube=0 pe=3 offset=0x1234").
• 기존 UnitType enum의 role: Range-based 접근 후에도 unit_type 필드 유지할지 (decode 결과에 component 추가), 또는 enum 대체할지.

🟢 ADR-0030 연동 질문

• IPCQ range 내 direction/slot 표현: PhysAddr는 component_offset 단위 까지만 표현. "direction=E, slot=2"는 IPCQ range 내 offset 계산으로 도출 (direction_idx * slot_region_size + slot_idx * slot_size) — 이 공식은 ADR-0030 scope에서 구체화.
• Allocator pool 구조: PEMemAllocator가 여러 range (TCM, IPCQ, scratchpad)를 개별 pool로 관리할지, 단일 pool에서 kind별 reserved만 관리 할지. Range-based schema면 개별 pool이 자연스러움.

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Non-goals (this ADR)

• 51-bit 전체 layout 재작성: 본 ADR은 local_offset (38 bits) 내부의 subdivision만 다룬다. Rack / SIP / cube segment 같은 상위 bit 구조는 불변.
• UnitType enum 재설계: range-based 접근으로 대체 가능하지만, 기존 enum (PE / MCPU / SRAM)은 backward compat 위해 유지.
• Dynamic range allocation: runtime에 range 크기 바꾸는 기능 불필요. 모든 range는 컴파일 / 설정 시점에 고정.
• Multi-process / multi-rack partitioning: PE 내부 resource만 다룸.

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Action

Phase 1 — User 입력: specific range allocation (Blocker)

• 사용자가 정의한 PE 컴포넌트별 byte range를 D2에 기입:
  • PE_RESOURCE_MAP 테이블 내용 (name, start_offset, byte_size per 컴포넌트)
  • 각 컴포넌트의 hardware spec 근거 note

Phase 2 — ADR Stub → Proposed 승격

• D2 채워지면 status 변경.
• Open questions의 "🔴 Pending user input" 블록 제거.
• ADR-0001에 amendment note 초안 작성.

Phase 3 — 구현

• PhysAddr range-based decode 구현.
• 신규 factory 함수 (pe_ipcq_addr, pe_scratchpad_addr 등 컴포넌트별) 추가.
• 기존 pe_tcm_addr 내부 인코딩만 신규 range table 참조하도록 수정 (signature 불변).
• 기존 코드 경로 회귀 확인.

Phase 4 — ADR-0030 unblock

• ADR-0030 "Blocked" 상태 해제.
• Install_plan builder가 pe_ipcq_addr(...) 등 확장된 factory 호출하도록 수정.

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Dependencies

• ADR-0001 (PhysAddr layout): 본 ADR은 ADR-0001의 확장.
• ADR-0023 (IPCQ protocol): IPCQ ring buffer의 주소 체계를 PhysAddr로 통합할 수 있게 하는 기반.
• ADR-0030 (IPCQ PhysAddr integration): 본 ADR에 blocked.

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Affected files (future, after promotion to Proposed)

File	Change
src/kernbench/policy/address/phyaddr.py	Range table (PE_RESOURCE_MAP), range-based decode, 신규 component-specific factory들 (pe_ipcq_addr 등), 기존 pe_tcm_addr 내부 인코딩 갱신
src/kernbench/policy/address/allocator.py	Range-aware pool 분리 (TCM pool / IPCQ pool / scratchpad pool 등 per-PE)
docs/adr/ADR-0001-physaddr-layout.md	Amendment note: range-based PE resource partition
tests/test_phyaddr.py	Range table 검증, 각 factory의 encode/decode round-trip, 기존 pe_tcm_addr 회귀