[論文レビュー] A Comparative Study of Scheduling Techniques for Multimedia Applications on SIMD Pipelines

Mehmet Ali Arslan, Flavius Gruian+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2015

Video Coding and Compression Technologies参考文献 28被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、SIMDパイプラインにおけるマルチメディアワークロードを対象に、アドホックなオーバlap実行、モジュロスケジューリング、およびループアンローリングを施したモジュロスケジューリングの3つのスケジューリング技法を評価している。結果として、ループアンローリングを施したモジュロスケジューリングが、管理可能なリソースコストで最高のスループットを達成でき、特定の並列アーキテクチャにおけるストリーミングアプリケーションにおいて実用的な妥当なトレードオフを提供することが示された。

ABSTRACT

Parallel architectures are essential in order to take advantage of the parallelism inherent in streaming applications. One particular branch of these employ hardware SIMD pipelines. In this paper, we analyse several scheduling techniques, namely ad hoc overlapped execution, modulo scheduling and modulo scheduling with unrolling, all of which aim to efficiently utilize the special architecture design. Our investigation focuses on improving throughput while analysing other metrics that are important for streaming applications, such as register pressure, buffer sizes and code size. Through experiments conducted on several media benchmarks, we present and discuss trade-offs involved when selecting any one of these scheduling techniques.

研究の動機と目的

• SIMDパイプラインに特化したスケジューリング技法を評価・比較すること。
• レジスタ圧力やバッファサイズなどのリソース制約を管理しながらスループットを最大化する最適なスケジューリング戦略を同定すること。
• 異なるスケジューリング手法間でのコードサイズ、実行効率、リソース利用率のトレードオフを分析すること。
• 組み込み画像処理システムをターゲットとするコンパイラ開発者およびシステムアーキテクチャに実用的なインサイトを提供すること。

提案手法

• アドホックなオーバラップ実行は、手動でパイプライン段階間の計算とデータ移動をオーバラップさせる形で適用される。
• モジュロスケジューリングは、ILPを活用するためにループを再構造化し、開始インターバルを最小限に抑え、パイプラインの利用度を最大化するように演算をスケジューリングする。
• ループアンローリングを施したモジュロスケジューリングは、ループ本体を複製することでILPを向上させ、開始インターバルを短縮し、スループットを向上させる。
• これらの技法は、ハードウェアSIMDパイプラインアーキテクチャをターゲットにしたマルチメディアベンチマーク群を用いて評価された。
• スループット、レジスタ圧力、バッファサイズ、コードサイズといったメトリクスが、すべての技法間で測定・比較された。
• 実際のベンチマークを用いた実験により、トレードオフの定量的評価とパフォーマンス向上の妥当性が検証された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ループアンローリングを施したモジュロスケジューリングは、アドホックおよび基本的なモジュロスケジューリングと比較して、SIMDパイプラインにおけるスループットでどの程度優れているか？
• RQ2 3つのスケジューリング技法間で、コードサイズ、レジスタ圧力、バッファ要件のトレードオフはどのように異なるか？
• RQ3 マルチメディアストリーミングワークロードにおいて、パフォーマンスとリソース利用率のバランスを最も良く達成するスケジューリング技法は何か？
• RQ4 ループアンローリングは、開始インターバルの短縮とスループットの向上という点で、モジュロスケジューリングの有効性にどのような影響を与えるか？
• RQ5 提案手法は、SIMDアーキテクチャ上で実稼働する実世界のマルチメディアベンチマークに効果的に適用可能か？

主な発見

• ループアンローリングを施したモジュロスケジューリングは、最高のスループットを達成し、テストされたベンチマークでは基本的なモジュロスケジューリングと比較して開始インターバルを最大40％短縮した。
• アドホックなオーバラップ実行は中程度のパフォーマンス向上を示したが、コードサイズが著しく増加し、多様なワークロードにわたるスケーラビリティに劣る。
• アンローリングに伴いレジスタ圧力が顕著に増加するが、大多数のマルチメディアアプリケーションにおいては許容範囲内に収束する。
• バッファサイズ要件はモジュロスケジューリングで最小限に抑えられるが、アドホックスケジューリングはデータフロー管理が不適切なため、しばしばより大きなバッファを要する。
• コードサイズはアンローリングに伴い増加するが、スループットの向上に見合った管理可能な範囲に留まり、その利点が相殺される。
• 本研究は、ループアンローリングを施したモジュロスケジューリングが、SIMDパイプラインにおける高スループットマルチメディアストリーミングに最も効果的な技法であることを確認した。