[논문 리뷰] Kickstarting High-performance Energy-efficient Manycore Architectures with Epiphany

Andreas Olofsson, Tomas Nordström외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 12. 17.

Parallel Computing and Optimization Techniques참고 문헌 5인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 레이더 및 라디오 기지국과 같은 고성능 실시간 임베디드 시스템을 위해 설계된 확장 가능하고 에너지 효율적인 멀티코어 아키텍처인 Epiphany를 제시한다. 2D 메시 NoC와 분산 공유 메모리 아키텍처를 사용하여 28 nm 공정에서 50 GFLOPS/W의 성능을 달성하였으며, 단일 칩에 수천 개의 코어를 구현할 수 있다.

ABSTRACT

In this paper we introduce Epiphany as a high-performance energy-efficient manycore architecture suitable for real-time embedded systems. This scalable architecture supports floating point operations in hardware and achieves 50 GFLOPS/W in 28 nm technology, making it suitable for high performance streaming applications like radio base stations and radar signal processing. Through an efficient 2D mesh Network-on-Chip and a distributed shared memory model, the architecture is scalable to thousands of cores on a single chip. An Epiphany-based open source computer named Parallella was launched in 2012 through Kickstarter crowd funding and has now shipped to thousands of customers around the world.

연구 동기 및 목표

• 레이더 및 라디오 기지국과 같은 실시간 임베디드 시스템에서 고성능 및 에너지 효율적인 계산의 필요성을 해결한다.
• 기존 멀티코어 아키텍처의 확장성, 에너지 효율성, 부동소수점 연산 지원 측면에서의 한계를 극복한다.
• 효율적인 네트워크온칩과 메모리 모델을 통해 수천 개의 코어를 포함하는 확장 가능한 칩 내 멀티코어 시스템을 가능하게 한다.
• Kickstarter를 통해 출시된 오픈소스 하드웨어 플랫폼인 Parallella를 통해 아키텍처의 실용적 구현을 시연한다.

제안 방법

• 수천 개의 코어 간 효율적인 통신과 확장성을 보장하기 위해 2D 메시 네트워크온칩(NoC)을 설계한다.
• 프로그래밍을 단순화하고 코어 간 데이터 액세스의 지연을 감소시키기 위해 분산 공유 메모리 모델을 구현한다.
• 스트리밍 워크로드에서 고성능 계산을 가능하게 하기 위해 부동소수점 연산을 위한 하드웨어 지원을 통합한다.
• 에너지 효율성을 최적화하여 28 nm CMOS 공정에서 50 GFLOPS/W의 성능을 달성한다.
• Epiphany 아키텍처와 Parallella 컴퓨터 플랫폼을 오픈소스로 공개하여 오픈소스 원칙을 활용한다.
• 모듈러하고 확장 가능한 설계를 통해 소규모 시스템부터 대규모 멀티코어 칩에 이르기까지 다양한 환경에 적용 가능하도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실시간 임베디드 워크로드에서 높은 성능과 극도로 높은 에너지 효율성을 동시에 달성할 수 있는 멀티코어 아키텍처는 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 단일 칩에 수천 개의 코어로까지 효율적으로 확장 가능한 통신 및 메모리 액세스 모델은 무엇인가?
• RQ3 완전히 오픈소스인 멀티코어 아키텍처가 실세계 응용 분야에서 성공적으로 구현되고 도입될 수 있는가?
• RQ4 현대 반도체 공정 기술에서 커스터마이징된 멀티코어 설계를 통해 달성할 수 있는 웨이트당 성능 수준은 어느 정도인가?
• RQ5 하드웨어 부동소수점 유닛의 통합은 스트리밍 응용 프로그램에서 성능과 에너지 효율성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• Epiphany 아키텍처는 28 nm CMOS 공정에서 50 GFLOPS/W의 높은 에너지 효율성을 달성하여 뛰어난 성능을 입증하였다.
• 2D 메시 NoC는 낮은 지연과 높은 대역폭을 통해 수천 개의 코어 간 확장 가능한 통신을 가능하게 한다.
• 분산 공유 메모리 모델은 데이터 병렬 워크로드에서 높은 성능을 유지하면서도 프로그래밍을 단순화한다.
• 하드웨어 부동소수점 지원이 내장되어 있어 신호 처리 응용 프로그램에서 고성능 계산을 가능하게 한다.
• Epiphany 기반 오픈소스 Parallella 플랫폼은 수천 명의 사용자에게 성공적으로 배포되어 실세계 적용의 타당성을 입증하였다.
• 이 아키텍처는 라디오 기지국 및 레이더 신호 처리와 같은 고성능 스트리밍 응용 분야에 적합하다.