Communication-Efficient Probabilistic Algorithms: Selection, Sampling, and Checking

Diese Dissertation behandelt drei grundlegende Klassen von Problemen in Big-Data-Systemen, für die wir kommunikationseffiziente probabilistische Algorithmen entwickeln. Im ersten Teil betrachten wir verschiedene Selektionsprobleme, im zweiten Teil das Ziehen gewichteter Stichproben (Weighted Sampling) und im dritten Teil die probabilistische Korrektheitsprüfung von Basisoperationen in Big-Data-Frameworks (Checking). Diese Arbeit ist durch einen wachsenden Bedarf an Kommunikationseffizienz motiviert, der daher rührt, dass der auf das Netzwerk und seine Nutzung zurückzuführende Anteil sowohl der Anschaffungskosten als auch des Energieverbrauchs von Supercomputern und der Laufzeit verteilter Anwendungen immer weiter wächst. Überraschend wenige kommunikationseffiziente Algorithmen sind für grundlegende Big-Data-Probleme bekannt. In dieser Arbeit schließen wir einige dieser Lücken. Zunächst betrachten wir verschiedene Selektionsprobleme, beginnend mit der verteilten Version des klassischen Selektionsproblems, d. h. dem Auffinden des Elements von Rang $k$ in einer großen verteilten Eingabe. Wir zeigen, wie dieses Problem kommunikationseffizient gelöst werden kann, ohne anzunehmen, dass die Elemente der Eingabe zufällig verteilt seien. Hierzu ersetzen wir die Methode zur Pivotwahl in einem schon lange bekannten Algorithmus und zeigen, dass dies hinreichend ist. Anschließend zeigen wir, dass die Selektion aus lokal sortierten Folgen – multisequence selection – wesentlich schneller lösbar ist, wenn der genaue Rang des Ausgabeelements in einem gewissen Bereich variieren darf. Dies benutzen wir anschließend, um eine verteilte Prioritätswarteschlange mit Bulk-Operationen zu konstruieren. Später werden wir diese verwenden, um gewichtete Stichproben aus Datenströmen zu ziehen (Reservoir Sampling). Schließlich betrachten wir das Problem, die global häufigsten Objekte sowie die, deren zugehörige Werte die größten Summen ergeben, mit einem stichprobenbasierten Ansatz zu identifizieren. Im Kapitel über gewichtete Stichproben werden zunächst neue Konstruktionsalgorithmen für eine klassische Datenstruktur für dieses Problem, sogenannte Alias-Tabellen, vorgestellt. Zu Beginn stellen wir den ersten Linearzeit-Konstruktionsalgorithmus für diese Datenstruktur vor, der mit konstant viel Zusatzspeicher auskommt. Anschließend parallelisieren wir diesen Algorithmus für Shared Memory und erhalten so den ersten parallelen Konstruktionsalgorithmus für Aliastabellen. Hiernach zeigen wir, wie das Problem für verteilte Systeme mit einem zweistufigen Algorithmus angegangen werden kann. Anschließend stellen wir einen ausgabesensitiven Algorithmus für gewichtete Stichproben mit Zurücklegen vor. Ausgabesensitiv bedeutet, dass die Laufzeit des Algorithmus sich auf die Anzahl der eindeutigen Elemente in der Ausgabe bezieht und nicht auf die Größe der Stichprobe. Dieser Algorithmus kann sowohl sequentiell als auch auf Shared-Memory-Maschinen und verteilten Systemen eingesetzt werden und ist der erste derartige Algorithmus in allen drei Kategorien. Wir passen ihn anschließend an das Ziehen gewichteter Stichproben ohne Zurücklegen an, indem wir ihn mit einem Schätzer für die Anzahl der eindeutigen Elemente in einer Stichprobe mit Zurücklegen kombinieren. Poisson-Sampling, eine Verallgemeinerung des Bernoulli-Sampling auf gewichtete Elemente, kann auf ganzzahlige Sortierung zurückgeführt werden, und wir zeigen, wie ein bestehender Ansatz parallelisiert werden kann. Für das Sampling aus Datenströmen passen wir einen sequentiellen Algorithmus an und zeigen, wie er in einem Mini-Batch-Modell unter Verwendung unserer im Selektionskapitel eingeführten Bulk-Prioritätswarteschlange parallelisiert werden kann. Das Kapitel endet mit einer ausführlichen Evaluierung unserer Aliastabellen-Konstruktionsalgorithmen, unseres ausgabesensitiven Algorithmus für gewichtete Stichproben mit Zurücklegen und unseres Algorithmus für gewichtetes Reservoir-Sampling. Um die Korrektheit verteilter Algorithmen probabilistisch zu verifizieren, schlagen wir Checker für grundlegende Operationen von Big-Data-Frameworks vor. Wir zeigen, dass die Überprüfung zahlreicher Operationen auf zwei „Kern“-Checker reduziert werden kann, nämlich die Prüfung von Aggregationen und ob eine Folge eine Permutation einer anderen Folge ist. Während mehrere Ansätze für letzteres Problem seit geraumer Zeit bekannt sind und sich auch einfach parallelisieren lassen, ist unser Summenaggregations-Checker eine neuartige Anwendung der gleichen Datenstruktur, die auch zählenden Bloom-Filtern und dem Count-Min-Sketch zugrunde liegt. Wir haben beide Checker in Thrill, einem Big-Data-Framework, implementiert. Experimente mit absichtlich herbeigeführten Fehlern bestätigen die von unserer theoretischen Analyse vorhergesagte Erkennungsgenauigkeit. Dies gilt selbst dann, wenn wir häufig verwendete schnelle Hash-Funktionen mit in der Theorie suboptimalen Eigenschaften verwenden. Skalierungsexperimente auf einem Supercomputer zeigen, dass unsere Checker nur sehr geringen Laufzeit-Overhead haben, welcher im Bereich von $2\,\%$ liegt und dabei die Korrektheit des Ergebnisses nahezu garantiert wird

Spéculation temporelle pour accélérateurs matériels

This thesis is focused on the use of timing speculation to improve the performance and energy efficiency of hardware accelerators. Timing speculation is the use of a circuit using a frequency or a voltage at which its operation is no longer guaranteed. It increases the performance of the circuit (computations per second) but also its energy efficiency (computations per joule). As the correct operation of the circuit is no longer guaranteed, it must be accompanied by an error detection mechanism. This mechanism must have the lowest possible additional cost in terms of resources used, energy and impact on performance. These overheads must indeed be low enough to make the approach worthwhile, but also be as low as possible to maximize the gain obtained. We present a new algorithm-level error detection mechanism for convolutions used in convolutional neural networks that meets these conditions. We show that combining this mechanism with timing speculation can improve the performance and energy efficiency of a convolution hardware accelerator.Résumé : Cette thèse porte sur l’utilisation de la spéculation temporelle pour améliorer les performances et l’efficacité énergétique d’accélérateurs matériels. La spéculation temporelle consiste en l’utilisation d’un circuit en utilisant une fréquence ou une tension à laquelle son fonctionnement n’est plus garanti. Elle permet d’augmenter les performances du circuit (calculs par seconde) mais aussi son efficacité énergétique (calculs par joule). Comme le fonctionnement du circuit n’est plus garanti, elle doit être accompagnée d’un mécanisme de détection d’erreur. Celui-ci doit avoir un coût en ressources utilisées, en énergie et un impact sur les performances les plus faibles possibles. Ces surcoûts doivent effectivement être suffisamment faibles pour que l’approche vaille le coup, mais aussi être le plus bas possible pour maximiser les gains obtenus. Nous présentons un nouveau mécanisme de détection d’erreur au niveau algorithmique pour les convolutions utilisées dans les réseaux de neurones convolutifs qui remplit ces conditions. Nous montrons que la combinaison de ce mécanisme avec la spéculation temporelle permet d’améliorer les performances et l’efficacité énergétique d’un accélérateur matériel de convolution

FT-CNN: Algorithm-Based Fault Tolerance for Convolutional Neural Networks

Convolutional neural networks (CNNs) are becoming more and more important for solving challenging and critical problems in many fields. CNN inference applications have been deployed in safety-critical systems, which may suffer from soft errors caused by high-energy particles, high temperature, or abnormal voltage. Of critical importance is ensuring the stability of the CNN inference process against soft errors. Traditional fault tolerance methods are not suitable for CNN inference because error-correcting code is unable to protect computational components, instruction duplication techniques incur high overhead, and existing algorithm-based fault tolerance (ABFT) techniques cannot protect all convolution implementations. In this article, we focus on how to protect the CNN inference process against soft errors as efficiently as possible, with the following three contributions. (1) We propose several systematic ABFT schemes based on checksum techniques and analyze their fault protection ability and runtime thoroughly. Unlike traditional ABFT based on matrix-matrix multiplication, our schemes support any convolution implementations. (2) We design a novel workflow integrating all the proposed schemes to obtain a high detection/correction ability with limited total runtime overhead. (3) We perform our evaluation using ImageNet with well-known CNN models including AlexNet, VGG-19, ResNet-18, and YOLOv2. Experimental results demonstrate that our implementation can handle soft errors with very limited runtime overhead (4%\sim∼8% in both error-free and error-injected situations)

FT-CNN: Algorithm-Based Fault Tolerance for Convolutional Neural Networks

Convolutional neural networks (CNNs) are becoming more and more important for solving challenging and critical problems in many fields. CNN inference applications have been deployed in safety-critical systems, which may suffer from soft errors caused by high-energy particles, high temperature, or abnormal voltage. Of critical importance is ensuring the stability of the CNN inference process against soft errors. Traditional fault tolerance methods are not suitable for CNN inference because error-correcting code is unable to protect computational components, instruction duplication techniques incur high overhead, and existing algorithm-based fault tolerance (ABFT) techniques cannot protect all convolution implementations. In this paper, we focus on how to protect the CNN inference process against soft errors as efficiently as possible, with the following three contributions. (1) We propose several systematic ABFT schemes based on checksum techniques and analyze their fault protection ability and runtime thoroughly. Unlike traditional ABFT based on matrix-matrix multiplication, our schemes support any convolution implementations. (2) We design a novel workflow integrating all the proposed schemes to obtain a high detection/correction ability with limited total runtime overhead. (3) We perform our evaluation using ImageNet with well-known CNN models including AlexNet, VGG-19, ResNet-18, and YOLOv2. Experimental results demonstrate that our implementation can handle soft errors with very limited runtime overhead (4%8% in both error-free and error-injected situations)