DAMOV: A New Methodology and Benchmark Suite for Evaluating Data Movement Bottlenecks

Data movement between the CPU and main memory is a first-order obstacle against improving performance, scalability, and energy efficiency in modern systems. Computer systems employ a range of techniques to reduce overheads tied to data movement, spanning from traditional mechanisms (e.g., deep multi-level cache hierarchies, aggressive hardware prefetchers) to emerging techniques such as Near-Data Processing (NDP), where some computation is moved close to memory. Our goal is to methodically identify potential sources of data movement over a broad set of applications and to comprehensively compare traditional compute-centric data movement mitigation techniques to more memory-centric techniques, thereby developing a rigorous understanding of the best techniques to mitigate each source of data movement. With this goal in mind, we perform the first large-scale characterization of a wide variety of applications, across a wide range of application domains, to identify fundamental program properties that lead to data movement to/from main memory. We develop the first systematic methodology to classify applications based on the sources contributing to data movement bottlenecks. From our large-scale characterization of 77K functions across 345 applications, we select 144 functions to form the first open-source benchmark suite (DAMOV) for main memory data movement studies. We select a diverse range of functions that (1) represent different types of data movement bottlenecks, and (2) come from a wide range of application domains. Using NDP as a case study, we identify new insights about the different data movement bottlenecks and use these insights to determine the most suitable data movement mitigation mechanism for a particular application. We open-source DAMOV and the complete source code for our new characterization methodology at https://github.com/CMU-SAFARI/DAMOV.Comment: Our open source software is available at https://github.com/CMU-SAFARI/DAMO

IMP: Indirect Memory Prefetcher

Machine learning, graph analytics and sparse linear algebra-based applications are dominated by irregular memory accesses resulting from following edges in a graph or non-zero elements in a sparse matrix. These accesses have little temporal or spatial locality, and thus incur long memory stalls and large bandwidth requirements. A traditional streaming or striding prefetcher cannot capture these irregular access patterns. A majority of these irregular accesses come from indirect patterns of the form A[B[i]]. We propose an efficient hardware indirect memory prefetcher (IMP) to capture this access pattern and hide latency. We also propose a partial cacheline accessing mechanism for these prefetches to reduce the network and DRAM bandwidth pressure from the lack of spatial locality. Evaluated on 7 applications, IMP shows 56% speedup on average (up to 2.3×) compared to a baseline 64 core system with streaming prefetchers. This is within 23% of an idealized system. With partial cacheline accessing, we see another 9.4% speedup on average (up to 46.6%).Intel Science and Technology Center for Big Dat

Exploiting data locality in cache-coherent NUMA systems

The end of Dennard scaling has caused a stagnation of the clock frequency in computers.To overcome this issue, in the last two decades vendors have been integrating larger numbers of processing elements in the systems, interconnecting many nodes, including multiple chips in the nodes and increasing the number of cores in each chip. The speed of main memory has not evolved at the same rate as processors, it is much slower and there is a need to provide more total bandwidth to the processors, especially with the increase in the number of cores and chips. Still keeping a shared address space, where all processors can access the whole memory, solutions have come by integrating more memories: by using newer technologies like high-bandwidth memories (HBM) and non-volatile memories (NVM), by giving groups cores (like sockets, for example) faster access to some subset of the DRAM, or by combining many of these solutions. This has caused some heterogeneity in the access speed to main memory, depending on the CPU requesting access to a memory address and the actual physical location of that address, causing non-uniform memory access (NUMA) behaviours. Moreover, many of these systems are cache-coherent (ccNUMA), meaning that changes in the memory done from one CPU must be visible by the other CPUs and transparent for the programmer. These NUMA behaviours reduce the performance of applications and can pose a challenge to the programmers. To tackle this issue, this thesis proposes solutions, at the software and hardware levels, to improve the data locality in NUMA systems and, therefore, the performance of applications in these computer systems. The first contribution shows how considering hardware prefetching simultaneously with thread and data placement in NUMA systems can find configurations with better performance than considering these aspects separately. The performance results combined with performance counters are then used to build a performance model to predict, both offline and online, the best configuration for new applications not in the model. The evaluation is done using two different high performance NUMA systems, and the performance counters collected in one machine are used to predict the best configurations in the other machine. The second contribution builds on the idea that prefetching can have a strong effect in NUMA systems and proposes a NUMA-aware hardware prefetching scheme. This scheme is generic and can be applied to multiple hardware prefetchers with a low hardware cost but giving very good results. The evaluation is done using a cycle-accurate architectural simulator and provides detailed results of the performance, the data transfer reduction and the energy costs. Finally, the third and last contribution consists in scheduling algorithms for task-based programming models. These programming models help improve the programmability of applications in parallel systems and also provide useful information to the underlying runtime system. This information is used to build a task dependency graph (TDG), a directed acyclic graph that models the application where the nodes are sequential pieces of code known as tasks and the edges are the data dependencies between the different tasks. The proposed scheduling algorithms use graph partitioning techniques and provide a scheduling for the tasks in the TDG that minimises the data transfers between the different NUMA regions of the system. The results have been evaluated in real ccNUMA systems with multiple NUMA regions.La fi de la llei de Dennard ha provocat un estancament de la freqüència de rellotge dels computadors. Amb l'objectiu de superar aquest fet, durant les darreres dues dècades els fabricants han integrat més quantitat d'unitats de còmput als sistemes mitjançant la interconnexió de nodes diferents, la inclusió de múltiples xips als nodes i l'increment de nuclis de processador a cada xip. La rapidesa de la memòria principal no ha evolucionat amb el mateix factor que els processadors; és molt més lenta i hi ha la necessitat de proporcionar més ample de banda als processadors, especialment amb l'increment del nombre de nuclis i xips. Tot mantenint un adreçament compartit en el qual tots els processadors poden accedir a la memòria sencera, les solucions han estat al voltant de la integració de més memòries: amb tecnologies modernes com HBM (high-bandwidth memories) i NVM (non-volatile memories), fent que grups de nuclis (com sòcols sencers) tinguin accés més ràpid a una part de la DRAM o amb la combinació de solucions. Això ha provocat una heterogeneïtat en la velocitat d'accés a la memòria principal, en funció del nucli que sol·licita l'accés a una adreça en particular i la seva localització física, fet que provoca uns comportaments no uniformes en l'accés a la memòria (non-uniform memory access, NUMA). A més, sovint tenen memòries cau coherents (cache-coherent NUMA, ccNUMA), que implica que qualsevol canvi fet a la memòria des d'un nucli d'un processador ha de ser visible la resta de manera transparent. Aquests comportaments redueixen el rendiment de les aplicacions i suposen un repte. Per abordar el problema, a la tesi s'hi proposen solucions, a nivell de programari i maquinari, que milloren la localitat de dades als sistemes NUMA i, en conseqüència, el rendiment de les aplicacions en aquests sistemes. La primera contribució mostra que, quan es tenen en compte alhora la precàrrega d'adreces de memòria amb maquinari (hardware prefetching) i les decisions d'ubicació dels fils d'execució i les dades als sistemes NUMA, es poden trobar millors configuracions que quan es condieren per separat. Una combinació dels resultats de rendiment i dels comptadors disponibles al sistema s'utilitza per construir un model de rendiment per fer la predicció, tant per avançat com també en temps d'execució, de la millor configuració per aplicacions que no es troben al model. L'avaluació es du a terme a dos sistemes NUMA d'alt rendiment, i els comptadors mesurats en un sistema s'usen per predir les millors configuracions a l'altre sistema. La segona contribució es basa en la idea que el prefetching pot tenir un efecte considerable als sistemes NUMA i proposa un esquema de precàrrega a nivell de maquinari que té en compte els efectes NUMA. L'esquema és genèric i es pot aplicar als algorismes de precàrrega existents amb un cost de maquinari molt baix però amb molt bons resultats. S'avalua amb un simulador arquitectural acurat a nivell de cicle i proporciona resultats detallats del rendiment, la reducció de les comunicacions de dades i els costos energètics. La tercera i darrera contribució consisteix en algorismes de planificació per models de programació basats en tasques. Aquests simplifiquen la programabilitat de les aplicacions paral·leles i proveeixen informació molt útil al sistema en temps d'execució (runtime system) que en controla el funcionament. Amb aquesta informació es construeix un graf de dependències entre tasques (task dependency graph, TDG), un graf dirigit i acíclic que modela l'aplicació i en el qual els nodes són fragments de codi seqüencial (o tasques) i els arcs són les dependències de dades entre les tasques. Els algorismes de planificació proposats fan servir tècniques de particionat de grafs i proporcionen una planificació de les tasques del TDG que minimitza la comunicació de dades entre les diferents regions NUMA del sistema. Els resultats han estat avaluats en sistemes ccNUMA reals amb múltiples regions NUMA.El final de la ley de Dennard ha provocado un estancamiento de la frecuencia de reloj de los computadores. Con el objetivo de superar este problema, durante las últimas dos décadas los fabricantes han integrado más unidades de cómputo en los sistemas mediante la interconexión de nodos diferentes, la inclusión de múltiples chips en los nodos y el incremento de núcleos de procesador en cada chip. La rapidez de la memoria principal no ha evolucionado con el mismo factor que los procesadores; es mucho más lenta y hay la necesidad de proporcionar más ancho de banda a los procesadores, especialmente con el incremento del número de núcleos y chips. Aun manteniendo un sistema de direccionamiento compartido en el que todos los procesadores pueden acceder al conjunto de la memoria, las soluciones han oscilado alrededor de la integración de más memorias: usando tecnologías modernas como las memorias de alto ancho de banda (highbandwidth memories, HBM) y memorias no volátiles (non-volatile memories, NVM), haciendo que grupos de núcleos (como zócalos completos) tengan acceso más veloz a un subconjunto de la DRAM, o con la combinación de soluciones. Esto ha provocado una heterogeneidad en la velocidad de acceso a la memoria principal, en función del núcleo que solicita el acceso a una dirección de memoria en particular y la ubicación física de esta dirección, lo que provoca unos comportamientos no uniformes en el acceso a la memoria (non-uniform memory access, NUMA). Además, muchos de estos sistemas tienen memorias caché coherentes (cache-coherent NUMA, ccNUMA), lo que implica que cualquier cambio hecho en la memoria desde un núcleo de un procesador debe ser visible por el resto de procesadores de forma transparente para los programadores. Estos comportamientos NUMA reducen el rendimiento de las aplicaciones y pueden suponer un reto para los programadores. Para abordar dicho problema, en esta tesis se proponen soluciones, a nivel de software y hardware, que mejoran la localidad de datos en los sistemas NUMA y, en consecuencia, el rendimiento de las aplicaciones en estos sistemas informáticos. La primera contribución muestra que, cuando se tienen en cuenta a la vez la precarga de direcciones de memoria mediante hardware (o hardware prefetching ) y las decisiones de la ubicación de los hilos de ejecución y los datos en los sistemas NUMA, se pueden hallar mejores configuraciones que cuando se consideran ambos aspectos por separado. Con una combinación de los resultados de rendimiento y de los contadores disponibles en el sistema se construye un modelo de rendimiento, tanto por avanzado como en en tiempo de ejecución, de la mejor configuración para aplicaciones que no están incluidas en el modelo. La evaluación se realiza en dos sistemas NUMA de alto rendimiento, y los contadores medidos en uno de los sistemas se usan para predecir las mejores configuraciones en el otro sistema. La segunda contribución se basa en la idea de que el prefetching puede tener un efecto considerable en los sistemas NUMA y propone un esquema de precarga a nivel hardware que tiene en cuenta los efectos NUMA. Este esquema es genérico y se puede aplicar a diferentes algoritmos de precarga existentes con un coste de hardware muy bajo pero que proporciona muy buenos resultados. Dichos resultados se obtienen y evalúan mediante un simulador arquitectural preciso a nivel de ciclo y proporciona resultados detallados del rendimiento, la reducción de las comunicaciones de datos y los costes energéticos. Finalmente, la tercera y última contribución consiste en algoritmos de planificación para modelos de programación basados en tareas. Estos modelos simplifican la programabilidad de las aplicaciones paralelas y proveen información muy útil al sistema en tiempo de ejecución (runtime system) que controla su funcionamiento. Esta información se utiliza para construir un grafo de dependencias entre tareas (task dependency graph, TDG), un grafo dirigido y acíclico que modela la aplicación y en el ue los nodos son fragmentos de código secuencial, conocidos como tareas, y los arcos son las dependencias de datos entre las distintas tareas. Los algoritmos de planificación que se proponen usan técnicas e particionado de grafos y proporcionan una planificación de las tareas del TDG que minimiza la comunicación de datos entre las distintas regiones NUMA del sistema. Los resultados se han evaluado en sistemas ccNUMA reales con múltiples regiones NUMA.Postprint (published version

Adaptive Prefetching and Cache Partitioning for Multicore Processors

El acceso a la memoria principal en los procesadores actuales supone un importante cuello de botella para las prestaciones, dado que los diferentes núcleos compiten por el limitado ancho de banda de memoria, agravando la brecha entre las prestaciones del procesador y las de la memoria principal. Distintas técnicas atacan este problema, siendo las más relevantes el uso de jerarquías de caché multinivel y la prebúsqueda. Las cachés jerárquicas aprovechan la localidad temporal y espacial que en general presentan los programas en el acceso a los datos, para mitigar las enormes latencias de acceso a memoria principal. Para limitar el número de accesos a la memoria DRAM, fuera del chip, los procesadores actuales cuentan con grandes cachés de último nivel (LLC). Para mejorar su utilización y reducir costes, estas cachés suelen compartirse entre todos los núcleos del procesador. Este enfoque mejora significativamente el rendimiento de la mayoría de las aplicaciones en comparación con el uso de cachés privados más pequeños. Compartir la caché, sin embargo, presenta una problema importante: la interferencia entre aplicaciones. La prebúsqueda, por otro lado, trae bloques de datos a las cachés antes de que el procesador los solicite, ocultando la latencia de memoria principal. Desafortunadamente, dado que la prebúsqueda es una técnica especulativa, si no tiene éxito puede contaminar la caché con bloques que no se usarán. Además, las prebúsquedas interfieren con los accesos a memoria normales, tanto los del núcleo que emite las prebúsquedas como los de los demás. Esta tesis se centra en reducir la interferencia entre aplicaciones, tanto en las caché compartidas como en el acceso a la memoria principal. Para reducir la interferencia entre aplicaciones en el acceso a la memoria principal, el mecanismo propuesto en esta disertación regula la agresividad de cada prebuscador, activando o desactivando selectivamente algunos de ellos, dependiendo de su rendimiento individual y de los requisitos de ancho de banda de memoria principal de los otros núcleos. Con respecto a la interferencia en cachés compartidos, esta tesis propone dos técnicas de particionado para la LLC, las cuales otorgan más espacio de caché a las aplicaciones que progresan más lentamente debido a la interferencia entre aplicaciones. La primera propuesta de particionado de caché requiere hardware específico no disponible en procesadores comerciales, por lo que se ha evaluado utilizando un entorno de simulación. La segunda propuesta de particionado de caché presenta una familia de políticas que superan las limitaciones en el número de particiones y en el número de vías de caché disponibles mediante la agrupación de aplicaciones en clústeres y la superposición de particiones de caché, por lo que varias aplicaciones comparten las mismas vías. Dado que se ha implementado utilizando los mecanismos para el particionado de la LLC que presentan algunos procesadores Intel modernos, esta propuesta ha sido evaluada en una máquina real. Los resultados experimentales muestran que el mecanismo de prebúsqueda selectiva propuesto en esta tesis reduce el número de solicitudes de memoria principal en un 20%, cosa que se traduce en mejoras en la equidad del sistema, el rendimiento y el consumo de energía. Por otro lado, con respecto a los esquemas de partición propuestos, en comparación con un sistema sin particiones, ambas propuestas reducen la iniquidad del sistema en un promedio de más del 25%, independientemente de la cantidad de aplicaciones en ejecución, y esta reducción en la injusticia no afecta negativamente al rendimiento.Accessing main memory represents a major performance bottleneck in current processors, since the different cores compete among them for the limited offchip bandwidth, aggravating even more the so called memory wall. Several techniques have been applied to deal with the core-memory performance gap, with the most preeminent ones being prefetching and hierarchical caching. Hierarchical caches leverage the temporal and spacial locality of the accessed data, mitigating the huge main memory access latencies. To limit the number of accesses to the off-chip DRAM memory, current processors feature large Last Level Caches. These caches are shared between all the cores to improve the utilization of the cache space and reduce cost. This approach significantly improves the performance of most applications compared to using smaller private caches. Cache sharing, however, presents an important shortcoming: the interference between applications. Prefetching, on the other hand, brings data blocks to the caches before they are requested, hiding the main memory latency. Unfortunately, since prefetching is a speculative technique, inaccurate prefetches may pollute the cache with blocks that will not be used. In addition, the prefetches interfere with the regular memory requests, both the ones from the application running on the core that issued the prefetches and the others. This thesis focuses on reducing the inter-application interference, both in the shared cache and in the access to the main memory. To reduce the interapplication interference in the access to main memory, the proposed approach regulates the aggressiveness of each core prefetcher, and selectively activates or deactivates some of them, depending on their individual performance and the main memory bandwidth requirements of the other cores. With respect to interference in shared caches, this thesis proposes two LLC partitioning techniques that give more cache space to the applications that have their progress diminished due inter-application interferences. The first cache partitioning proposal requires dedicated hardware not available in commercial processors, so it has been evaluated using a simulation framework. The second proposal dealing with cache partitioning presents a family of partitioning policies that overcome the limitations in the number of partitions and the number of available ways by grouping applications and overlapping cache partitions, so multiple applications share the same ways. Since it has been implemented using the cache partitioning features of modern Intel processors it has been evaluated in a real machine. Experimental results show that the proposed selective prefetching mechanism reduces the number of main memory requests by 20%, which translates to improvements in unfairness, performance, and energy consumption. On the other hand, regarding the proposed partitioning schemes, compared to a system with no partitioning, both reduce unfairness more than 25% on average, regardless of the number of applications running in the multicore, and this reduction in unfairness does not negatively affect the performance.L'accés a la memòria principal en els processadors actuals suposa un important coll d'ampolla per a les prestacions, ja que els diferents nuclis competeixen pel limitat ample de banda de memòria, agreujant la bretxa entre les prestacions del processador i les de la memòria principal. Diferents tècniques ataquen aquest problema, sent les més rellevants l'ús de jerarquies de memòria cau multinivell i la prebusca. Les memòries cau jeràrquiques aprofiten la localitat temporal i espacial que en general presenten els programes en l'accés a les dades per mitigar les enormes latències d'accés a memòria principal. Per limitar el nombre d'accessos a la memòria DRAM, fora del xip, els processadors actuals compten amb grans caus d'últim nivell (LLC). Per millorar la seva utilització i reduir costos, aquestes memòries cau solen compartir-se entre tots els nuclis del processador. Aquest enfocament millora significativament el rendiment de la majoria de les aplicacions en comparació amb l'ús de caus privades més menudes. Compartir la memòria cau, no obstant, presenta una problema important: la interferencia entre aplicacions. La prebusca, per altra banda, porta blocs de dades a les memòries cau abans que el processador els sol·licite, ocultant la latència de memòria principal. Desafortunadament, donat que la prebusca és una técnica especulativa, si no té èxit pot contaminar la memòria cau amb blocs que no fan falta. A més, les prebusques interfereixen amb els accessos normals a memòria, tant els del nucli que emet les prebusques com els dels altres. Aquesta tesi es centra en reduir la interferència entre aplicacions, tant en les cau compartides com en l'accés a la memòria principal. Per reduir la interferència entre aplicacions en l'accés a la memòria principal, el mecanismo proposat en aquesta dissertació regula l'agressivitat de cada prebuscador, activant o desactivant selectivament alguns d'ells, en funció del seu rendiment individual i dels requisits d'ample de banda de memòria principal dels altres nuclis. Pel que fa a la interferència en caus compartides, aquesta tesi proposa dues tècniques de particionat per a la LLC, les quals atorguen més espai de memòria cau a les aplicacions que progressen més lentament a causa de la interferència entre aplicacions. La primera proposta per al particionat de memòria cau requereix hardware específic no disponible en processadors comercials, per la qual cosa s'ha avaluat utilitzant un entorn de simulació. La segona proposta de particionat per a memòries cau presenta una família de polítiques que superen les limitacions en el nombre de particions i en el nombre de vies de memòria cau disponibles mitjan¿ cant l'agrupació d'aplicacions en clústers i la superposició de particions de memòria cau, de manera que diverses aplicacions comparteixen les mateixes vies. Atès que s'ha implementat utilitzant els mecanismes per al particionat de la LLC que ofereixen alguns processadors Intel moderns, aquesta proposta s'ha avaluat en una màquina real. Els resultats experimentals mostren que el mecanisme de prebusca selectiva proposat en aquesta tesi redueix el nombre de sol·licituds a la memòria principal en un 20%, cosa que es tradueix en millores en l'equitat del sistema, el rendiment i el consum d'energia. Per altra banda, pel que fa als esquemes de particiónat proposats, en comparació amb un sistema sense particions, ambdues propostes redueixen la iniquitat del sistema en més d'un 25% de mitjana, independentment de la quantitat d'aplicacions en execució, i aquesta reducció en la iniquitat no afecta negativament el rendiment.Selfa Oliver, V. (2018). Adaptive Prefetching and Cache Partitioning for Multicore Processors [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/112423TESI

임베디드 시스템에서 여러 컨볼루션 뉴럴 네트워크를 위한 하드웨어를 고려하는 소프트웨어 최적화 기법

학위논문 (박사) -- 서울대학교 대학원 : 공과대학 컴퓨터공학부, 2021. 2. 하순회.임베디드 기기는 대개 계산량, 메모리 크기, 에너지 소모량 등의 제약 사항이 있기 때문에, 딥 러닝 응용을 임베디드 기기에서 수행하는 것은 쉽지 않다. 딥 러닝 응용의 계산량 증가를 해결하기 위해서 에너지 효율적인 모바일 GPU, 디지털 신호 처리 프로세서을 사용하거나, 또는 새로운 뉴럴 프로세서 칩을 만드려는 하드웨어 영역의 최적화 방법이 있다. 반면에 딥 러닝 응용 영역에서는 새로운 딥 러닝 응용을 만들거나, 딥 러닝의 통계적인 특성을 이용한 근사 계산 방법을 이용하여 최적화 방법을 제안하고 있다. 그리고 또 다른 최적화 방법으로는 먼저 하드웨어 플랫폼의 성능 병목 부분을 찾고, 일을 동등하게 여러 계산 자원에 분배하여 최적화하는 하드웨어를 고려한 최적화 방법이 있다. 본 논문에서는 하드웨어를 고려한 소프트웨어 최적화 방법들을 고안하였다. 먼저, LPIRC 대회에 참가한 경험을 바탕으로 임베디드 딥 러닝 시스템을 최적화하는 체계적인 방법론을 고안하고, 그 방법론에 따른 C-GOOD이라는 딥 러닝 프레임워크를 구현하였다. C-GOOD은 하드웨어 플랫폼에 독립적으로 작동하기 위해 대부분의 임베디드 기기에서 컴파일, 수행이 가능한 C 코드를 생성한다. 또한 여러 가지 딥 러닝 응용 영역의 최적화 방법을 적용할 수 있는 옵션과 시스템 성능을 측정할 수 있는 기능을 제공하였다. 이 방법론을 Jetson TX2, Odroid XU4, SRP 등의 서로 다른 3개의 기기에 적용해 봄으로써, 고안된 방법론이 하드웨어 플랫폼에 독립적이며 C-GOOD을 통해 쉽게 여러 딥 러닝 응용 최적화 방법을 적용할 수 있음을 확인하였다. 최근 임베디드 기기에 이종 프로세서들이 많이 탑재되고 있고, 동시에 자율 주행 자동차와 스마트폰 등의 하나의 임베디드 기기에서 여러 개의 딥 러닝 응용을 동시에 수행하는 것이 필요해지고 있다. 본 논문에서는 여러 딥 러닝 응용을 이종 프로세서들을 탑재한 임베디드 기기에 스케줄하는 방법을 고안하고, 스케줄링 프레임워크를 구현하였다. 이 방법론은 실제 기기에서의 프로파일링부터 스케줄 결과를 실제 기기에서 확인하는 과정까지 포함하며, 실제 기기에서 발생하는 이슈들인 DVFS, CPU Hot-plug 등을 고려하였다. 이종 프로세서로의 스케줄링 기법으로는 많이 사용되는 메타 휴리스틱 알고리즘은 유전 알고리즘을 사용하였다. 특히, 서로 다른 주기와 상대 오프셋을 가지고 있는 여러 응용을 동시에 스케줄하기 위해서 모든 태스크들의 스케줄 가능성을 고려하여 스케줄하였다. 스케줄 결과를 검증하기 위해서, ACL의 코어 라이브러리를 이용하여 딥 러닝 추론 응용을 구현하였으며, 스케줄 결과와 같이 각 레이어들을 실제 하드웨어의 서로 다른 프로세서 매핑하도록 구현하였다. 갤럭시 S9 스마트폰과 Hikey 970 보드에서 서로 다른 두개의 딥 러닝 네트워크를 수행하고, 스케줄 결과와 비교하여 방법론을 검증할 수 있었다. 이전 최적화 방법들이 딥 러닝 응용의 계산량과 프로세서들에 집중하였는데, 딥 러닝 가속기 또는 NPU의 성능 병목이 생기는 원인은 오프 칩 메모리와 온 칩 사이의 통신이다. 더욱이 오프 칩 메모리 DRAM 접근은 NPU의 전력소모의 많은 부분을 차지한다고 알려져있다. 따라서 이와 같은 오프 칩 DRAM 접근으로 인한 NPU의 성능과 에너지 영향을 줄이고자 본 논문에서는 온 칩 메모리 뱅크를 관리하는 컴파일러 기법을 고안하였다. 온 칩 메모리를 여러 개의 뱅크로 구성하고 연산 도중에 인풋 데이터를 미리 로드함으로써 연산 지연 시간을 줄일 수 있다는 점과 레이어의 아웃풋을 온 칩 메모리에서 재사용하여 오프 칩 메모리 접근을 줄일 수 있다는 점을 이용하여 서로 다른 두 가지의 목적 함수를 가진 두 가지 기법을 고안하였다. 목적 함수는 각각 오프 칩 메모리 접근을 최소화하는 것과 오프 칩 메모리 접근으로 인한 프로세서들의 처리 지연시간을 줄이는 것이다. 서로 다른 5개의 딥 러닝 네트워크를 사이클 레벨 NPU 시뮬레이터에서 수행하여 두 목적 함수에 따른 절충 (Trade-off) 관계 를 확인하였다. 또한 온 칩 메모리 뱅크 관리 기법을 레이어 간 피처 데이터를 최대한 재사용하는 레이어 융합 방법으로 확장하였다. 기존의 순수한 레이어 융합 방법의 경우에는 중복 계산하는 오버헤드와 추가적인 필터 웨이트 로드가 생긴다. 따라서 본 논문에서는 기존의 레이어 별로 처리하는 방법과 순수한 레이어 융합 방법 사이의 하이브리드 레이어 융합 방법을 고안하였다. 두 온 칩 메모리 뱅크 관리 기법을 기반으로 하이브리드 레이어 융합 방법이 기존의 레이어 별 처리하는 기법과 순수한 레이어 융합 방법보다 좋은 성능을 보임을 확인할 수 있었다.Executing deep learning algorithms on mobile embedded devices is challenging because embedded devices usually have tight constraints on the computational power, memory size, and energy consumption, while the resource requirements of deep learning algorithms achieving high accuracy continue to increase. To cope with increasing computation complexity, it is common to use an energy-efficient accelerator, such as a mobile GPU or digital signal processor (DSP) array, or to develop a customized neural processor chip called neural processing unit (NPU). In the application domain, many optimization techniques have been proposed to change the application algorithm in order to reduce the computational amount and memory usage by developing new deep learning networks or software optimization techniques that take advantage of the statistical nature of deep learning algorithms. Another approach is hardware-ware software optimization, which finds the performance bottleneck first and then distributes the workload evenly by scheduling the workloads. This dissertation covers hardware-aware software optimization, which is based on a hardware processor or platform. First, we devise a systematic optimization methodology through the experience of participating in the Low Power Image Recognition Challenge (LPIRC) and build a deep learning framework called C-GOOD (C-code Generation Framework for Optimized On-device Deep Learning) based on the devised methodology. For hardware independence, C-GOOD generates a C code that can be compiled for and run on any embedded device. Also, C-GOOD is facilitated with various options for application domain optimization that can be performed according to the devised methodology. By applying the devised methodology to three hardware platforms, NVIDIA Jetson TX2, Odroid XU4, and the Samsung Reconfigurable Processor (SRP), we demonstrate that the devised methodology is independent of the hardware platforms and application domain optimizations can be performed easily with C-GOOD. Recently, embedded devices are equipped with heterogeneous processing elements (PEs), and the need for running multiple deep learning applications concurrently in the embedded systems such as self-driving cars and smartphones is increasing at the same time. In those systems, we devise an end-to-end methodology to schedule deep learning applications onto heterogeneous PEs and implement a scheduling framework according to the methodology. It covers from profiling on real embedded devices to verifying the schedule results on the devices. In this methodology, we use a genetic algorithm (GA)-based scheduling technique for scheduling deep learning applications onto heterogeneous PEs and consider several practical issues in the profile step. Furthermore, we schedule multiple applications with different throughput constraints considering the schedulability of mapped tasks on each processor. After implementing a deep learning inference engine that can utilize heterogeneous PEs using a low-level library of the ARM compute library (ACL), we verify the devised methodology by running two widely used convolution neural networks (CNNs) on a Galaxy S9 smartphones and a Hikey970 board. While the previous optimization methods focus on the computation and processing elements, the performance bottleneck of deep learning accelerators is the communication between off-chip and on-chip memory. Moreover, the off-chip DRAM access volume has a significant effect on the energy consumption of an NPU. To reduce the impact of off-chip DRAM access on the performance and energy of an NPU, we devise compiler techniques for an NPU to manage multi-bank on-chip memory with two different objectives: one is to minimize the off-chip memory access volume, and the other is to minimize the processing delay caused by unhidden DRAM accesses. The main idea is that by organizing on-chip memory into multiple banks, we may hide the off-chip DRAM access delay by prefetching data into unused banks during computation and reduce the off-chip DRAM access volume by storing the output feature map data of each layer to on-chip memory. By running CNN benchmarks on a cycle-level NPU simulator, we demonstrate the trade-off relation between two objectives. The devised multi-bank on-chip memory management (MOMM) techniques are extended to consider layer fusion that aims to reuse feature maps between layers maximally. Since the pure layer fusion technique incurs extra computation overhead and increases DRAM access for filter weights, a hybrid fusion technique is presented between a per-layer processing technique and the pure layer fusion techniques, based on the devised MOMM techniques with two different objectives. Experiment results confirm the superiority of the hybrid fusion technique to the per-layer processing technique and the pure layer fusion technique.Abstract Contents List of Figures List of Tables List of Algorithms Chapter 1 Introduction 1 1.1 Motivation 1 1.2 Contribution 7 1.3 Dissertation Organization 8 Chapter 2 Background 9 2.1 Target Hardware 9 2.1.1 Commodity Hardware Platform 9 2.1.2 Application-specific Hardware Accelerator 10 2.2 Convolutional Neural Network 11 2.2.1 Convolution 11 2.2.2 Optimization Methods for Convolutional Neural Network 11 Chapter 3 Optimization for a Commodity Hardware Platform 14 3.1 Joint Optimization Method of Multiple Objectives 15 3.1.1 Hardware Platform 16 3.1.2 Deep Neural Network and Software Framework 17 3.1.3 Software Optimization Techniques 19 3.2 C-code Generation Framework for Optimized On-device Deep Learning 29 3.2.1 C-GOOD Framework 29 3.2.2 Experiments 36 3.3 Scheduling Deep Learning Applications Onto Heterogeneous Processors 44 3.3.1 Search Space Size 45 3.3.2 Hardware Platform and System Model 45 3.3.3 Proposed Scheduling Framework and Profiling 48 3.3.4 Scheduling a Single Deep Learning Application 53 3.3.5 Scheduling Multiple Deep Learning Applications 61 3.3.6 Verification with Real Hardware Platforms 65 3.4 Related Work 69 3.4.1 Deep Learning Framework 69 3.4.2 Deep Learning Compiler 70 3.4.3 Scheduling Deep Learning Application 70 3.4.4 Scheduling Multiple Applications on Heterogeneous Processors 72 Chapter 4 Optimization for an Application-specific Hardware Accelerator 75 4.1 Multi-Bank On-chip Memory Management Problem 75 4.1.1 Main Idea 75 4.1.2 Assumed Dataflow 76 4.1.3 Multi-bank On-chip Memory Management Problem 79 4.2 Proposed Multi-bank On-chip Memory Management Techniques 83 4.2.1 DRAM-first Storing Policy 84 4.2.2 DRAM Access Minimization Policy (MIN policy) 85 4.2.3 DRAM Access Hiding Policy (HIDE policy) 89 4.2.4 Multiple Path Consideration 91 4.3 Layer Fusion Technique 92 4.3.1 Layer Fusion Technique 92 4.3.2 Hybrid Fusion Technique 94 4.4 Experiments 96 4.4.1 Setup 96 4.4.2 Performance Comparison of MOMM Techniques 98 4.4.3 Multiple Path 100 4.4.4 Design Space Exploration of NPU Architecture 101 4.4.5 Hybrid Fusion Technique 104 4.5 Related Work 106 Chapter 5 Conclusion 108 Bibliography 111 Appendix 120 A Proposed Multi-bank On-chip Memory Management Algorithm 120 A.1 Multi-bank On-chip Memory (MOM) Manager 120 A.2 MIN policy 122 A.3 HIDE policy 124 요 약 126Docto