12 mar 2021
10:00 Defesa de Mestrado Integralmente a distância
Tema
Exploring Associative Processing with the RV-Across simulator
Aluno
Jonathas Evangelista da Silveira
Orientador / Docente
Lucas Francisco Wanner
Breve resumo
Trabalhos recentes na academia apontam para um gargalo de desempenho entre o processador e a memória. Esse gargalo se destaca na execução de aplicativos, como o Aprendizado de Máquina, que processam uma grande quantidade de dados. Nessas aplicações, a movimentação de dados representa uma parcela significativa tanto em termos de tempo de processamento quanto de consumo de energia. O uso de novas arquiteturas multi-core, aceleradores e Unidades de Processamento Gráfico (Graphics Processing Unit --- GPU) pode melhorar o desempenho desses aplicativos por meio do processamento paralelo. No entanto, a utilização dessas arquiteturas não elimina a necessidade de mover dados, que passam por diferentes níveis de uma hierarquia de memória para serem processados.
Nosso trabalho explora o Processamento em Memória (Processing in Memory --- PIM), especificamente o Processamento Associativo, como alternativa para acelerar as aplicações, processando seus dados em paralelo na memória permitindo melhor desempenho do sistema e economia de energia. O Processamento Associativo fornece computação paralela de alto desempenho e com baixo consumo de energia usando uma Memória endereçável por conteúdo (Content-Adressable Memory --- CAM). Através do poder de comparação e escrita em paralelo do CAM, complementado por registradores especiais de controle e tabelas de consulta (Lookup Tables), é possível realizar operações entre vetores de dados utilizando um número pequeno e constante de ciclos por operação.
Em nosso trabalho, analisamos o potencial do Processamento Associativo em termos de tempo de execução e consumo de energia em diferentes kernels de aplicações. Para isso, desenvolvemos o RV-Across, um simulador de Processamento Associativo baseado em RISC-V para teste, validação e modelagem de operações associativas. O simulador facilita o projeto de arquiteturas de processamento associativo e próximo à memória, oferecendo interfaces tanto para a construção de novas operações quanto para experimentação de alto nível. Criamos um modelo de arquitetura para o simulador com processamento associativo e o comparamos este modelo com os alternativas baseadas em CPU e multi-core. Para avaliação de desempenho, construímos um modelo de latência e energia fundamentado em dados da literatura. Aplicamos o modelo para comparar diferentes cenários, alterando características das entradas e o tamanho do Processador Associativo nas aplicações.
Nossos resultados destacam a relação direta entre o tamanho dos dados e a melhoria potencial de desempenho do processamento associativo. Para a convolução 2D, o modelo de Processamento Associativo obteve um ganho relativo de 2x em latência, 2x em consumo de energia, e 13x no número de operações de load/store. Na multiplicação de matrizes, a aceleração aumenta linearmente com a dimensão das matrizes, atingindo 8x para matrizes de 200x200 bytes e superando a execução paralela em uma CPU de 8 núcleos. As vantagens do Processamento associativo evidenciadas nos resultados revelam uma alternativa para sistemas que necessitam manter um equilíbrio entre processamento e gasto energético, como os dispositivos embarcados. Finalmente, o ambiente de simulação e avaliação que construímos pode habilitar mais exploração dessa alternativa em diferentes aplicações e cenários de uso.
Banca examinadora
Titulares:
| Lucas Francisco Wanner | IC/UNICAMP |
| Alba Cristina Magalhães Alves de Melo | CIC/UnB |
| Rodolfo Jardim de Azevedo | IC/UNICAMP |
Suplentes:
| Sandro Rigo | IC/UNICAMP |
| João Paulo Labegalini de Carvalho | University of Alberta/Canadá |