[논문 리뷰] A Comparative Study of Scheduling Techniques for Multimedia Applications on SIMD Pipelines

Mehmet Ali Arslan, Flavius Gruian외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 02. 26.

Video Coding and Compression Technologies참고 문헌 28인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 SIMD 파이프라인에서 멀티미디어 워크로드를 위한 세 가지 스케줄링 기법—임의의 오버랩 실행, 모듈로 스케줄링, 그리고 루프 편집을 적용한 모듈로 스케줄링—을 평가한다. 연구 결과, 루프 편집을 적용한 모듈로 스케줄링가 자원 소비를 관리 가능한 수준으로 유지하면서도 가장 높은 스루풋을 달성함을 입증하며, 전용 병렬 아키텍처에서 스트리밍 애플리케이션에 실용적인 성능-비용 균형을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 멀티미디어 스트리밍 애플리케이션에 특화된 SIMD 파이프라인을 위한 스케줄링 기법을 평가하고 비교하는 것.
• 레지스터 압력과 버퍼 크기 등의 자원 제약 조건을 고려하면서도 스루풋을 최대화하는 최적의 스케줄링 전략을 규명하는 것.
• 다양한 스케줄링 방법 간 코드 크기, 실행 효율성, 자원 활용도 간의 상호 교환 관계를 분석하는 것.
• 임베디드 이미지 처리 시스템을 대상으로 하는 컴파일러 개발자와 시스템 아키텍트에게 실용적인 통찰을 제공하는 것.

제안 방법

• 임의의 오버랩 실행은 수작업으로 파이프라인 단계 간 계산과 데이터 이동을 오버랩하도록 작업을 스케줄링하여 적용된다.
• 모듈로 스케줄링은 ILP를 활용하기 위해 루프를 재구조화하고, 시작 간격을 최소화하고 파이프라인 활용도를 극대화하도록 작업을 스케줄링한다.
• 루프 편집을 적용한 모듈로 스케줄링는 루프 본문을 복제하여 ILP를 증가시키고, 시작 간격을 줄이며 스루풋을 향상시킨다.
• 이 기법들은 하드웨어 SIMD 파이프라인 아키텍처를 대상으로 한 멀티미디어 벤치마크 세트를 사용해 평가된다.
• 모든 기법 간에 스루풋, 레지스터 압력, 버퍼 크기, 코드 크기 등의 메트릭을 측정하고 비교한다.
• 실제 벤치마크를 대상으로 실험하여 상호 교환 관계를 정량화하고 성능 향상의 타당성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 루프 편집을 적용한 모듈로 스케줄링는 임의의 오버랩 실행 및 기본 모듈로 스케줄링에 비해 SIMD 파이프라인에서 스루풋 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ2 세 가지 스케줄링 기법 간에 코드 크기, 레지스터 압력, 버퍼 요구량 간의 상호 교환 관계는 어떠한가?
• RQ3 멀티미디어 스트리밍 워크로드에 대해 성능과 자원 활용도 사이에서 가장 균형 잡힌 스케줄링 기법은 무엇인가?
• RQ4 루프 편집은 모듈로 스케줄링의 시작 간격 감소 및 스루풋 향상 효과에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 제안된 기법들은 실제로 SIMD 아키텍처에서 실행되는 멀티미디어 벤치마크에 효과적으로 적용될 수 있는가?

주요 결과

• 루프 편집을 적용한 모듈로 스케줄링는 테스트된 벤치마크에서 기본 모듈로 스케줄링 대비 최대 40%까지 시작 간격을 감소시키며 가장 높은 스루풋을 달성한다.
• 임의의 오버랩 실행은 중간 수준의 성능 향상을 보이지만 코드 크기가 크게 증가하고 다양한 워크로드에 대해 확장성이 떨어진다.
• 루프 편집에 따라 레지스터 압력이 크게 증가하지만 대부분의 멀티미디어 애플리케이션에서는 수용 가능한 수준을 유지한다.
• 버퍼 크기 요구량은 모듈로 스케줄링에서 최소화되며, 임의의 스케줄링는 데이터 플로우 관리가 덜 최적화되어 더 큰 버퍼가 자주 필요로 한다.
• 코드 크기는 루프 편집에 따라 증가하지만 관리 가능하며 스루풋 향상의 성과로 상쇄된다.
• 본 연구는 루프 편집을 적용한 모듈로 스케줄링가 SIMD 파이프라인에서 고스루풋 멀티미디어 스트리밍에 가장 효과적인 기법임을 확인한다.