[논문 리뷰] FPMax: a 106GFLOPS/W at 217GFLOPS/mm2 Single-Precision FPU, and a 43.7GFLOPS/W at 74.6GFLOPS/mm2 Double-Precision FPU, in 28nm UTBB FDSOI

Jing Pu, Sameh Galal외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 06. 24.

Photonic and Optical Devices인용 수 13

한 줄 요약

FPMax는 28nm UTBB FDSOI 공정 기술을 사용해 제작된 매우 에너지 효율적인 부동소수점 유닛(FPU)을 제공하며, 단정밀도 모드에서 106 GFLOPS/W, 이중정밀도 모드에서 43.7 GFLOPS/W의 성능을 달성한다. 최적화된 파이pline 스테이지, 보스팅 인코딩, 바디-바이어스 제어를 통해 단위 에너지 소비 당 높은 성능을 구현하였으며, 저활성 수준에서 최대 2배의 에너지 절감 효과를 기대할 수 있다.

ABSTRACT

FPMax implements four FPUs optimized for latency or throughput workloads in two precisions, fabricated in 28nm UTBB FDSOI. Each unit's parameters, e.g pipeline stages, booth encoding etc., were optimized to yield 1.42ns latency at 110GLOPS/W (SP) and 1.39ns latency at 36GFLOPS/W (DP). At 100% activity, body-bias control improves the energy efficiency by about 20%; at 10% activity this saving is almost 2x. Keywords: FPU, energy efficiency, hardware generator, SOI

연구 동기 및 목표

• 최신 실리콘 공정 기술을 활용해 현대 컴퓨팅 워크로드에 적합한 고에너지 효율성 FPU를 설계하기 위해.
• 지연 시간 중심 및 처리량 중심 워크로드 모두에 최적화된 FPU 성능과 에너지 효율성을 향상시키기 위해.
• 다양한 활성도 수준에서 바디-바이어스 제어가 에너지 효율성에 미치는 영향을 탐구하기 위해.
• 단정밀도 및 이중정밀도 부동소수점 연산에서 최고 수준의 성능-에너지 비율을 달성하기 위해.
• 28nm UTBB FDSOI 공정 환경에서 하드웨어 생성 및 아키텍처 최적화 기법의 효과성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 최적의 성능과 에너지 효율성을 확보하기 위해 파이pline 스테이지와 보스팅 인코딩을 맞춤 설계한 네 종류의 FPU 유닛을 설계하였다.
• 고집적 트랜지스터 밀도와 높은 게이트 제어 성능을 확보하기 위해 28nm UTBB FDSOI 공정 기술을 활용하였다.
• 임계 전압을 동적으로 조정하여 동적 전력 소비를 감소시키기 위해 바디-바이어스 제어를 적용하였다.
• 단정밀도에서 1.42ns 지연 시간, 110 GFLOPS/W 성능, 이중정밀도에서 1.39ns 지연 시간, 36 GFLOPS/W 성능을 달성하기 위해 FPU 아키텍처를 최적화하였다.
• 파이pline 깊이 및 인코딩 방식과 같은 구성 가능한 파rameter를 갖춘 FPU 변종을 합성하기 위해 하드웨어 생성기를 사용하였다.
• 에너지 절약 기술의 확장성 평가를 위해 100% 및 10% 활성도 수준에서 성능과 에너지 효율성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최신 CMOS 공정 기술에서 아키텍처적 및 공정 수준 최적화를 통해 FPU의 에너지 효율성을 어떻게 극대화할 수 있는가?
• RQ2 다양한 워크로드 활성도 수준에서 바디-바이어스 제어가 에너지 효율성에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ3 단일 FPU 설계로 지연 시간 중심 및 처리량 중심 워크로드 모두에서 높은 성능과 에너지 효율성을 달성할 수 있는가?
• RQ4 28nm UTBB FDSOI 환경에서 단정밀도와 이중정밀도 부동소수점 연산 간의 성능 및 에너지 효율성 상호 간의 트레이드오프는 어떠한가?
• RQ5 하드웨어 생성 기법을 통해 고성능 컴퓨팅 응용 분야에 적합한 빠르고 최적화된 FPU 설계를 얼마나 빠르게 수행할 수 있는가?

주요 결과

• 단정밀도 FPU는 1.42ns 지연 시간으로 106 GFLOPS/W 성능을 달성하여 뛰어난 에너지 효율성을 입증하였다.
• 이중정밀도 FPU는 1.39ns 지연 시간으로 43.7 GFLOPS/W 성능을 달성하여 이중정밀도 산술 연산에서 높은 에너지 효율성 기준을 설정하였다.
• 바디-바이어스 제어로 100% 활성도에서 약 20%의 에너지 효율 향상과 10% 활성도에서 거의 2배의 효율 향상을 달성하였다.
• 단정밀도에서 217 GFLOPS/mm², 이중정밀도에서 74.6 GFLOPS/mm²의 성능을 기록하여 높은 면적 효율성을 나타내었다.
• 최적화된 파이pline 스테이지, 보스팅 인코딩, 바디-바이어스 제어의 조합이 관찰된 성능-에너지 비율 향상에 기여하였다.
• 하드웨어 생성기 접근법을 통해 특정 워크로드 요구사항에 맞는 FPU 변종을 신속하게 합성할 수 있었다.