[논문 리뷰] Massively Parallel Processor Architectures for Resource-aware Computing

Vahid Lari, Alexandru Tanase외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 05. 12.

Radiation Effects in Electronics참고 문헌 20인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 자원 인지 컴퓨팅을 위한 대량 병렬이며 재구성 가능한 아키텍처인 침입형 밀접 결합 프로세서 어레이(TCPAs)를 소개한다. 동적 자원 할당, 자기 적응성, 수요에 따른 공간적 중복성 기능을 통해 신호 및 영상 처리와 같은 도메인 특화 스트리밍 워크로드에서 성능, 면적, 에너지 효율성을 최적화한다.

ABSTRACT

We present a class of massively parallel processor architectures called invasive tightly coupled processor arrays (TCPAs). The presented processor class is a highly parameterizable template, which can be tailored before runtime to fulfill costumers' requirements such as performance, area cost, and energy efficiency. These programmable accelerators are well suited for domain-specific computing from the areas of signal, image, and video processing as well as other streaming processing applications. To overcome future scaling issues (e.g., power consumption, reliability, resource management, as well as application parallelization and mapping), TCPAs are inherently designed in a way to support self-adaptivity and resource awareness at hardware level. Here, we follow a recently introduced resource-aware parallel computing paradigm called invasive computing where an application can dynamically claim, execute, and release resources. Furthermore, we show how invasive computing can be used as an enabler for power management. Finally, we will introduce ideas on how to realize fault-tolerant loop execution on such massively parallel architectures through employing on-demand spatial redundancies at the processor array level.

연구 동기 및 목표

• 미래의 대량 병렬 시스템에서의 전력 소비, 신뢰성 및 효율적 자원 관리 문제를 해결한다.
• 실행 시 응용 프로그램의 요구에 맞게 하드웨어 자원을 동적으로 적응시키는 것을 가능하게 한다.
• 고처리량과 저지연을 요구하는 도메인 특화 컴퓨팅 워크로드를 지원한다.
• 자기 적응성과 고장 내성 기능을 하드웨어 설계에 통합하여 시스템의 내구성과 효율성을 향상시킨다.
• 실행 전 성능, 면적, 에너지 제약에 맞게 맞춤화할 수 있는 가변 매개변수 기반의 프로세서 아키텍처를 제공한다.

제안 방법

• 특정 응용 프로그램 요구 사항에 맞게 맞춤화할 수 있도록 고도로 가변 매개변수화된 밀접 결합 프로세서 어레이(TCPAs)의 템플릿을 설계한다.
• 응용 프로그램이 실행 중에 하드웨어 자원을 동적으로 확보, 실행 및 해제할 수 있도록 하드웨어 수준에서 침입형 컴퓨팅 원리를 구현한다.
• 자원 할당을 워크로드 요구 사항과 일치시킴으로써 전력 관리 메커니즘을 통합하고, 동적 전압 및 주파수 스케일링을 가능하게 한다.
• 프로세서 어레이 수준에서 수요에 따라 공간적 중복을 적용하여 루프 실행 중 고장을 견딜 수 있는 내성 구조를 확보한다.
• 스트리밍 응용 프로그램을 위한 세밀한 병렬성과 거친 병렬성을 모두 지원하는 모듈식이고 확장 가능한 아키텍처를 채택한다.
• 실행 시간 자원 인지 기능을 프로세서 패브릭에 통합하여 실시간 적응과 응용 프로그램의 효율적 매핑을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 대량 병렬 프로세서 아키텍처를 설계하여 응용 프로그램 중심의 동적 자원 할당을 지원할 수 있는가?
• RQ2 어떤 하드웨어 수준의 메커니즘이 병렬 프로세서 어레이에서 자기 적응성과 자원 인지 기능을 가능하게 하는가?
• RQ3 침입형 컴퓨팅 원리를 활용하여 도메인 특화 가속기에서의 에너지 효율성을 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 지속적인 오버헤드 없이 병렬 아키텍처에서 고장을 견딜 수 있는 기법은 무엇인가?
• RQ5 어떻게 프로세서 어레이를 성능, 면적, 에너지 제약에 맞게 가변 매개변수화할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 TCPA 아키텍처는 침입형 컴퓨팅을 통해 실행 시 하드웨어 자원의 동적 할당을 가능하게 하여 응용 프로그램이 자원을 확보하고 해제할 수 있다.
• 실제 워크로드 요구 사항과 자원 사용을 일치시킴으로써 에너지 효율성이 향상된다.
• 수요에 따라 공간적 중복을 적용함으로써 영구적 중복이 필요 없이도 루프 실행 중 고장을 견딜 수 있다.
• 가변 매개변수 설계 덕분에 성능, 면적, 에너지 효율성에 맞게 맞춤화할 수 있어 도메인 특화 응용 프로그램에 적합하다.
• 하드웨어 수준에서 자기 적응성을 통합함으로써 향후 병렬 시스템에서 확장 가능하고 신뢰성 있는 실행을 지원한다.
• 이 접근법은 고처리량과 저지연을 요구하는 스트리밍 응용 프로그램, 예를 들어 신호, 영상 및 비디오 처리에 대해 실현 가능함을 입증한다.