Uma exploração de processamento associativo com o simulador RV-Across

Orientador: Lucas Francisco WannerDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de ComputaçãoResumo: Trabalhos na academia apontam para um gargalo de desempenho entre o processador e a memória. Esse gargalo se destaca na execução de aplicativos, como o Aprendizado de Máquina, que processam uma grande quantidade de dados. Nessas aplicações, a movimentação de dados representa uma parcela significativa tanto em termos de tempo de processamento quanto de consumo de energia. O uso de novas arquiteturas multi-core, aceleradores e Unidades de Processamento Gráfico (Graphics Processing Unit --- GPU) pode melhorar o desempenho desses aplicativos por meio do processamento paralelo. No entanto, a utilização dessas arquiteturas não elimina a necessidade de mover dados, que passam por diferentes níveis de uma hierarquia de memória para serem processados. Nosso trabalho explora o Processamento em Memória (Processing in Memory --- PIM), especificamente o Processamento Associativo, como alternativa para acelerar as aplicações, processando seus dados em paralelo na memória permitindo melhor desempenho do sistema e economia de energia. O Processamento Associativo fornece computação paralela de alto desempenho e com baixo consumo de energia usando uma Memória endereçável por conteúdo (Content-Adressable Memory --- CAM). Através do poder de comparação e escrita em paralelo do CAM, complementado por registradores especiais de controle e tabelas de consulta (Lookup Tables), é possível realizar operações entre vetores de dados utilizando um número pequeno e constante de ciclos por operação. Em nosso trabalho, analisamos o potencial do Processamento Associativo em termos de tempo de execução e consumo de energia em diferentes kernels de aplicações. Para isso, desenvolvemos o RV-Across, um simulador de Processamento Associativo baseado em RISC-V para teste, validação e modelagem de operações associativas. O simulador facilita o projeto de arquiteturas de processamento associativo e próximo à memória, oferecendo interfaces tanto para a construção de novas operações quanto para experimentação de alto nível. Criamos um modelo de arquitetura para o simulador com processamento associativo e o comparamos este modelo com os alternativas baseadas em CPU e multi-core. Para avaliação de desempenho, construímos um modelo de latência e energia fundamentado em dados da literatura. Aplicamos o modelo para comparar diferentes cenários, alterando características das entradas e o tamanho do Processador Associativo nas aplicações. Nossos resultados destacam a relação direta entre o tamanho dos dados e a melhoria potencial de desempenho do processamento associativo. Para a convolução 2D, o modelo de Processamento Associativo obteve um ganho relativo de 2x em latência, 2x em consumo de energia, e 13x no número de operações de load/store. Na multiplicação de matrizes, a aceleração aumenta linearmente com a dimensão das matrizes, atingindo 8x para matrizes de 200x200 bytes e superando a execução paralela em uma CPU de 8 núcleos. As vantagens do Processamento associativo evidenciadas nos resultados revelam uma alternativa para sistemas que necessitam manter um equilíbrio entre processamento e gasto energético, como os dispositivos embarcados. Finalmente, o ambiente de simulação e avaliação que construímos pode habilitar mais exploração dessa alternativa em diferentes aplicações e cenários de usoAbstract: Many works have pointed to a performance bottleneck between Processor and Memory. This bottleneck stands out when running applications, such as Machine Learning, which process large quantities of data. For these applications, the movement of data represents a significant fraction of processing time and energy consumption. The use of new multi-core architectures, accelerators, and Graphic Processing Units (GPU) can improve the performance of these applications through parallel processing. However, utilizing these architectures does not eliminate the need to move data, which are transported through different levels of a memory hierarchy to be processed. Our work explores Processing in Memory (PIM), and in particular Associative Processing, as an alternative to accelerate applications, by processing data in parallel in memory, thus allowing for better system performance and energy savings. Associative Processing provides high-performance and energy-efficient parallel computation using a Content-Addressable Memory (CAM). CAM provides parallel comparison and writing, and by augmenting a CAM with special control registers and Lookup Tables, it is possible to perform computation between vectors of data with a small and constant number of cycles per operation. In our work, we analyze the potential of Associative Processing in terms of execution time and energy consumption in different application kernels. To achieve this goal we developed RV-Across, an Associative Processing Simulator based on RISC-V for testing, validation, and modeling associative operations. The simulator eases the design of associative and near-memory processing architectures by offering interfaces to both building new operations and performing high-level experimentation. We created an architectural model for the simulator with associative processing and evaluated it by comparing it with the CPU-only and multi-core models. The simulator includes latency and energy models based on data from the literature to allow for evaluation and comparison. We apply the models to compare different scenarios, changing the input and size of the Associative Processor in the applications. Our results highlight the direct relation between data length and potential performance and energy improvement of associative processing. For 2D convolution, the Associative Processing model obtained a relative gain of 2x in latency, 2x in energy, and 13x in the number of load/store operations. For matrix multiplication, the speed-up increases linearly with input dimensions, achieving 8x for 200x200 bytes matrices and outperforming parallel execution in an 8-core CPU. The advantages of associative processing shown in the results are indicative of a real alternative for systems that need to maintain a balance between processing and energy expenditure, such as embedded devices. Finally, the simulation and evaluation environment we have built can enable further exploration of this alternative for different usage scenarios and applicationsMestradoCiência da ComputaçãoMestre em Ciência da Computação001CAPE