[논문 리뷰] Exploration of Performance and Energy Trade-offs for Heterogeneous Multicore Architectures

Anastasiia Butko, Florent Bruguier외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 06.

Parallel Computing and Optimization Techniques참고 문헌 27인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 삼성 엑시노스 올타 5422 플랫폼에서 gem5 및 McPAT 시뮬레이션을 사용하여 단일-ISA 이종 멀티코어 아키텍처의 성능과 에너지 효율성 간의 상충 관계를 탐구한다. 두 가지 코어 유형 대신 세 가지 코어 유형(A7, A9, A15)을 도입할 경우, 워크로드 특성에 따라 에너지 효율성에서 최대 2.3배 향상되고 성능에서 최대 1.5배 향상됨을 입증한다.

ABSTRACT

Energy-efficiency has become a major challenge in modern computer systems. To address this challenge, candidate systems increasingly integrate heterogeneous cores in order to satisfy diverse computation requirements by selecting cores with suitable features. In particular, single-ISA heterogeneous multicore processors such as ARM big.LITTLE have become very attractive since they offer good opportunities in terms of performance and power consumption trade-off. While existing works already showed that this feature can improve system energy-efficiency, further gains are possible by generalizing the principle to higher levels of heterogeneity. The present paper aims to explore these gains by considering single-ISA heterogeneous multicore architectures including three different types of cores. For this purpose, we use the Samsung Exynos Octa 5422 chip as baseline architecture. Then, we model and evaluate Cortex A7, A9, and A15 cores using the gem5 simulation framework coupled to McPAT for power estimation. We demonstrate that varying the level of heterogeneity as well as the different core ratio can lead to up to 2.3x gains in energy efficiency and up to 1.5x in performance. This study further provides insights on the impact of workload nature on performance/energy trade-off and draws recommendations concerning suitable architecture configurations. This contributes in fine to guide future research towards dynamically reconfigurable HSAs in which some cores/clusters can be disabled momentarily so as to optimize certain metrics such as energy efficiency. This is of particular interest when dealing with quality-tunable algorithms in which accuracy can be then traded for compute effort, thereby enabling to use only those cores that provide the best energy-efficiency for the chosen algorithm.

연구 동기 및 목표

• 단일-ISA 이종 시스템에서 아키텍처의 이종성 증가—특히 세 가지 별도의 코어 유형 도입—이 성능과 에너지 효율성에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 계산 및 메모리 액세스 패턴에 따라 다양한 워크로드에 최적화된 코어 비율과 구성 식별하기 위해.
• 워크로드별 성능-에너지 상충 관계 분석을 통해 향후 동적 재구성 가능한 이종 시스템 연구를 이끌기 위해.
• 응용 프로그램의 품질 요구 사항과 에너지 효율적인 코어 구성 간의 매칭을 위해 품질 조절 가능한 알고리즘의 타당성 평가하기 위해.

제안 방법

• 삼성 엑시노스 올타 5422 아키텍처에서 ARM 코어 A7, A9, A15의 성능을 모델링하고 평가하기 위해 gem5 사이클 근사 시뮬레이션 프레임워크를 사용하였다.
• 정확한 전력 소비 추정을 위해 McPAT를 통합하여 에너지-성능 상충 관계 분석을 가능하게 하였다.
• 다양한 워크로드 유형을 평가하기 위해 Rodinia 벤치마크 스위트를 사용한 포괄적인 설계 공간 탐색을 수행하였다.
• 병렬성, 계산 복잡도, 통신 패턴과 같은 워크로드 특성을 분석하여 최적의 코어 구성과의 상관관계를 규명하였다.
• 4A15/4A7(기본값), 1A7/6A9/1A15, 2A7/5A9/1A15, 6A7/1A9/1A15 등의 다양한 구성 조합을 평가하여 성능 및 에너지 효율성을 비교하였다.
• 메모리 대역폭 및 지연 제한 요소를 포함한 워크로드 행동 기반으로 코어 유형 선택 방법론을 제안하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일-ISA 이종 멀티코어 시스템에서 코어 유형 수를 늘릴 경우 성능과 에너지 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 다양한 워크로드 유형에 대해 성능과 에너지 효율성을 최적화하는 데 가장 효과적인 코어 구성(비율 및 유형 기준)은 무엇인가?
• RQ3 병렬성 수준, 계산 강도, 메모리 액세스 패턴과 같은 워크로드 고유의 특성이 성능-에너지 상충 관계에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 품질 조절 가능한 알고리즘이 동적 재구성 가능한 이종 시스템에 효과적으로 매핑되어, 요구되는 출력 품질을 손상시키지 않고 에너지 효율성을 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 세 가지 코어 유형(A7, A9, A15)을 포함한 구성은 기준 4A15/4A7 구성 대비 에너지 효율성에서 최대 2.3배 향상되고 성능에서 최대 1.5배 향상되었다.
• 부동소수점 연산이 많은 계산 집약적 워크로드의 경우, 순서 없는 코어(A15 및 A9)가 순서 있는 A7 코어보다 지능적 지연 병렬성 덕분에 뚜렷한 성능 우위를 보였다.
• 메모리 지연에 의해 제한되는 워크로드의 경우, A9 코어가 가장 균형 잡힌 성능을 보였으며, A15 코어는 성능 향상에 비해 높은 에너지 오버헤드를 유발하였다.
• 메모리 대역폭에 의해 제한되는 워크로드의 경우, A7 코어가 가장 최적의 성능을 보였는데, 이는 낮은 전력 소비와 만족스러운 성능 덕분이었으며, 더 빠른 코어는 대기 시간을 줄이지 못했다.
• 대부분의 워크로드, 특히 다양한 실행 영역에서 혼합된 특성을 가진 워크로드의 경우, 세 코어 유형 구성이 이중 코어 구성보다 뛰어난 성능을 보였다.
• 최적의 코어 선택은 워크로드 고유의 병목 현상에 따라 달라지며, 대역폭 제한 워크로드에는 A7, 지연 제한 워크로드에는 A9, 계산 집약적 워크로드에는 A15가 가장 적합하다.