Scalable Emulation of Heterogeneous Systems

The breakdown of Dennard's transistor scaling has driven computing systems toward application-specific accelerators, which can provide orders-of-magnitude improvements in performance and energy efficiency over general-purpose processors. To enable the radical departures from conventional approaches that heterogeneous systems entail, research infrastructure must be able to model processors, memory and accelerators, as well as system-level changes---such as operating system or instruction set architecture (ISA) innovations---that might be needed to realize the accelerators' potential. Unfortunately, existing simulation tools that can support such system-level research are limited by the lack of fast, scalable machine emulators to drive execution. To fill this need, in this dissertation we first present a novel machine emulator design based on dynamic binary translation that makes the following improvements over the state of the art: it scales on multicore hosts while remaining memory efficient, correctly handles cross-ISA differences in atomic instruction semantics, leverages the host floating point (FP) unit to speed up FP emulation without sacrificing correctness, and can be efficiently instrumented to---among other possible uses---drive the execution of a full-system, cross-ISA simulator with support for accelerators. We then demonstrate the utility of machine emulation for studying heterogeneous systems by leveraging it to make two additional contributions. First, we quantify the trade-offs in different coupling models for on-chip accelerators. Second, we present a technique to reuse the private memories of on-chip accelerators when they are otherwise inactive to expand the system's last-level cache, thereby reducing the opportunity cost of the accelerators' integration

A survey of near-data processing architectures for neural networks

Data-intensive workloads and applications, such as machine learning (ML), are fundamentally limited by traditional computing systems based on the von-Neumann architecture. As data movement operations and energy consumption become key bottlenecks in the design of computing systems, the interest in unconventional approaches such as Near-Data Processing (NDP), machine learning, and especially neural network (NN)-based accelerators has grown significantly. Emerging memory technologies, such as ReRAM and 3D-stacked, are promising for efficiently architecting NDP-based accelerators for NN due to their capabilities to work as both high-density/low-energy storage and in/near-memory computation/search engine. In this paper, we present a survey of techniques for designing NDP architectures for NN. By classifying the techniques based on the memory technology employed, we underscore their similarities and differences. Finally, we discuss open challenges and future perspectives that need to be explored in order to improve and extend the adoption of NDP architectures for future computing platforms. This paper will be valuable for computer architects, chip designers, and researchers in the area of machine learning.This work has been supported by the CoCoUnit ERC Advanced Grant of the EU’s Horizon 2020 program (grant No 833057), the Spanish State Research Agency (MCIN/AEI) under grant PID2020-113172RB-I00, and the ICREA Academia program.Peer ReviewedPostprint (published version

A Modern Primer on Processing in Memory

Modern computing systems are overwhelmingly designed to move data to computation. This design choice goes directly against at least three key trends in computing that cause performance, scalability and energy bottlenecks: (1) data access is a key bottleneck as many important applications are increasingly data-intensive, and memory bandwidth and energy do not scale well, (2) energy consumption is a key limiter in almost all computing platforms, especially server and mobile systems, (3) data movement, especially off-chip to on-chip, is very expensive in terms of bandwidth, energy and latency, much more so than computation. These trends are especially severely-felt in the data-intensive server and energy-constrained mobile systems of today. At the same time, conventional memory technology is facing many technology scaling challenges in terms of reliability, energy, and performance. As a result, memory system architects are open to organizing memory in different ways and making it more intelligent, at the expense of higher cost. The emergence of 3D-stacked memory plus logic, the adoption of error correcting codes inside the latest DRAM chips, proliferation of different main memory standards and chips, specialized for different purposes (e.g., graphics, low-power, high bandwidth, low latency), and the necessity of designing new solutions to serious reliability and security issues, such as the RowHammer phenomenon, are an evidence of this trend. This chapter discusses recent research that aims to practically enable computation close to data, an approach we call processing-in-memory (PIM). PIM places computation mechanisms in or near where the data is stored (i.e., inside the memory chips, in the logic layer of 3D-stacked memory, or in the memory controllers), so that data movement between the computation units and memory is reduced or eliminated.Comment: arXiv admin note: substantial text overlap with arXiv:1903.0398

A RECONFIGURABLE AND EXTENSIBLE EXPLORATION PLATFORM FOR FUTURE HETEROGENEOUS SYSTEMS

Accelerator-based -or heterogeneous- computing has become increasingly important in a variety of scenarios, ranging from High-Performance Computing (HPC) to embedded systems. While most solutions use sometimes custom-made components, most of today’s systems rely on commodity highend CPUs and/or GPU devices, which deliver adequate performance while ensuring programmability, productivity, and application portability. Unfortunately, pure general-purpose hardware is affected by inherently limited power-efficiency, that is, low GFLOPS-per-Watt, now considered as a primary metric. The many-core model and architectural customization can play here a key role, as they enable unprecedented levels of power-efficiency compared to CPUs/GPUs. However, such paradigms are still immature and deeper exploration is indispensable. This dissertation investigates customizability and proposes novel solutions for heterogeneous architectures, focusing on mechanisms related to coherence and network-on-chip (NoC). First, the work presents a non-coherent scratchpad memory with a configurable bank remapping system to reduce bank conflicts. The experimental results show the benefits of both using a customizable hardware bank remapping function and non-coherent memories for some types of algorithms. Next, we demonstrate how a distributed synchronization master better suits many-cores than standard centralized solutions. This solution, inspired by the directory-based coherence mechanism, supports concurrent synchronizations without relying on memory transactions. The results collected for different NoC sizes provided indications about the area overheads incurred by our solution and demonstrated the benefits of using a dedicated hardware synchronization support. Finally, this dissertation proposes an advanced coherence subsystem, based on the sparse directory approach, with a selective coherence maintenance system which allows coherence to be deactivated for blocks that do not require it. Experimental results show that the use of a hybrid coherent and non-coherent architectural mechanism along with an extended coherence protocol can enhance performance. The above results were all collected by means of a modular and customizable heterogeneous many-core system developed to support the exploration of power-efficient high-performance computing architectures. The system is based on a NoC and a customizable GPU-like accelerator core, as well as a reconfigurable coherence subsystem, ensuring application-specific configuration capabilities. All the explored solutions were evaluated on this real heterogeneous system, which comes along with the above methodological results as part of the contribution in this dissertation. In fact, as a key benefit, the experimental platform enables users to integrate novel hardware/software solutions on a full-system scale, whereas existing platforms do not always support a comprehensive heterogeneous architecture exploration

Cross-Layer Rapid Prototyping and Synthesis of Application-Specific and Reconfigurable Many-accelerator Platforms

Technological advances of recent years laid the foundation consolidation of informatisationof society, impacting on economic, political, cultural and socialdimensions. At the peak of this realization, today, more and more everydaydevices are connected to the web, giving the term ”Internet of Things”. The futureholds the full connection and interaction of IT and communications systemsto the natural world, delimiting the transition to natural cyber systems and offeringmeta-services in the physical world, such as personalized medical care, autonomoustransportation, smart energy cities etc. . Outlining the necessities of this dynamicallyevolving market, computer engineers are required to implement computingplatforms that incorporate both increased systemic complexity and also cover awide range of meta-characteristics, such as the cost and design time, reliabilityand reuse, which are prescribed by a conflicting set of functional, technical andconstruction constraints. This thesis aims to address these design challenges bydeveloping methodologies and hardware/software co-design tools that enable therapid implementation and efficient synthesis of architectural solutions, which specifyoperating meta-features required by the modern market. Specifically, this thesispresents a) methodologies to accelerate the design flow for both reconfigurableand application-specific architectures, b) coarse-grain heterogeneous architecturaltemplates for processing and communication acceleration and c) efficient multiobjectivesynthesis techniques both at high abstraction level of programming andphysical silicon level.Regarding to the acceleration of the design flow, the proposed methodologyemploys virtual platforms in order to hide architectural details and drastically reducesimulation time. An extension of this framework introduces the systemicco-simulation using reconfigurable acceleration platforms as co-emulation intermediateplatforms. Thus, the development cycle of a hardware/software productis accelerated by moving from a vertical serial flow to a circular interactive loop.Moreover the simulation capabilities are enriched with efficient detection and correctiontechniques of design errors, as well as control methods of performancemetrics of the system according to the desired specifications, during all phasesof the system development. In orthogonal correlation with the aforementionedmethodological framework, a new architectural template is proposed, aiming atbridging the gap between design complexity and technological productivity usingspecialized hardware accelerators in heterogeneous systems-on-chip and networkon-chip platforms. It is presented a novel co-design methodology for the hardwareaccelerators and their respective programming software, including the tasks allocationto the available resources of the system/network. The introduced frameworkprovides implementation techniques for the accelerators, using either conventionalprogramming flows with hardware description language or abstract programmingmodel flows, using techniques from high-level synthesis. In any case, it is providedthe option of systemic measures optimization, such as the processing speed,the throughput, the reliability, the power consumption and the design silicon area.Finally, on addressing the increased complexity in design tools of reconfigurablesystems, there are proposed novel multi-objective optimization evolutionary algo-rithms which exploit the modern multicore processors and the coarse-grain natureof multithreaded programming environments (e.g. OpenMP) in order to reduce theplacement time, while by simultaneously grouping the applications based on theirintrinsic characteristics, the effectively explore the design space effectively.The efficiency of the proposed architectural templates, design tools and methodologyflows is evaluated in relation to the existing edge solutions with applicationsfrom typical computing domains, such as digital signal processing, multimedia andarithmetic complexity, as well as from systemic heterogeneous environments, suchas a computer vision system for autonomous robotic space navigation and manyacceleratorsystems for HPC and workstations/datacenters. The results strengthenthe belief of the author, that this thesis provides competitive expertise to addresscomplex modern - and projected future - design challenges.Οι τεχνολογικές εξελίξεις των τελευταίων ετών έθεσαν τα θεμέλια εδραίωσης της πληροφοριοποίησης της κοινωνίας, επιδρώντας σε οικονομικές,πολιτικές, πολιτιστικές και κοινωνικές διαστάσεις. Στο απόγειο αυτής τη ςπραγμάτωσης, σήμερα, ολοένα και περισσότερες καθημερινές συσκευές συνδέονται στο παγκόσμιο ιστό, αποδίδοντας τον όρο «Ίντερνετ των πραγμάτων».Το μέλλον επιφυλάσσει την πλήρη σύνδεση και αλληλεπίδραση των συστημάτων πληροφορικής και επικοινωνιών με τον φυσικό κόσμο, οριοθετώντας τη μετάβαση στα συστήματα φυσικού κυβερνοχώρου και προσφέροντας μεταυπηρεσίες στον φυσικό κόσμο όπως προσωποποιημένη ιατρική περίθαλψη, αυτόνομες μετακινήσεις, έξυπνες ενεργειακά πόλεις κ.α. . Σκιαγραφώντας τις ανάγκες αυτής της δυναμικά εξελισσόμενης αγοράς, οι μηχανικοί υπολογιστών καλούνται να υλοποιήσουν υπολογιστικές πλατφόρμες που αφενός ενσωματώνουν αυξημένη συστημική πολυπλοκότητα και αφετέρου καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα μεταχαρακτηριστικών, όπως λ.χ. το κόστος σχεδιασμού, ο χρόνος σχεδιασμού, η αξιοπιστία και η επαναχρησιμοποίηση, τα οποία προδιαγράφονται από ένα αντικρουόμενο σύνολο λειτουργικών, τεχνολογικών και κατασκευαστικών περιορισμών. Η παρούσα διατριβή στοχεύει στην αντιμετώπιση των παραπάνω σχεδιαστικών προκλήσεων, μέσω της ανάπτυξης μεθοδολογιών και εργαλείων συνσχεδίασης υλικού/λογισμικού που επιτρέπουν την ταχεία υλοποίηση καθώς και την αποδοτική σύνθεση αρχιτεκτονικών λύσεων, οι οποίες προδιαγράφουν τα μετα-χαρακτηριστικά λειτουργίας που απαιτεί η σύγχρονη αγορά. Συγκεκριμένα, στα πλαίσια αυτής της διατριβής, παρουσιάζονται α) μεθοδολογίες επιτάχυνσης της ροής σχεδιασμού τόσο για επαναδιαμορφούμενες όσο και για εξειδικευμένες αρχιτεκτονικές, β) ετερογενή αδρομερή αρχιτεκτονικά πρότυπα επιτάχυνσης επεξεργασίας και επικοινωνίας και γ) αποδοτικές τεχνικές πολυκριτηριακής σύνθεσης τόσο σε υψηλό αφαιρετικό επίπεδο προγραμματισμού,όσο και σε φυσικό επίπεδο πυριτίου.Αναφορικά προς την επιτάχυνση της ροής σχεδιασμού, προτείνεται μια μεθοδολογία που χρησιμοποιεί εικονικές πλατφόρμες, οι οποίες αφαιρώντας τις αρχιτεκτονικές λεπτομέρειες καταφέρνουν να μειώσουν σημαντικά το χρόνο εξομοίωσης. Παράλληλα, εισηγείται η συστημική συν-εξομοίωση με τη χρήση επαναδιαμορφούμενων πλατφορμών, ως μέσων επιτάχυνσης. Με αυτόν τον τρόπο, ο κύκλος ανάπτυξης ενός προϊόντος υλικού, μετατεθειμένος από την κάθετη σειριακή ροή σε έναν κυκλικό αλληλεπιδραστικό βρόγχο, καθίσταται ταχύτερος, ενώ οι δυνατότητες προσομοίωσης εμπλουτίζονται με αποδοτικότερες μεθόδους εντοπισμού και διόρθωσης σχεδιαστικών σφαλμάτων, καθώς και μεθόδους ελέγχου των μετρικών απόδοσης του συστήματος σε σχέση με τις επιθυμητές προδιαγραφές, σε όλες τις φάσεις ανάπτυξης του συστήματος. Σε ορθογώνια συνάφεια με το προαναφερθέν μεθοδολογικό πλαίσιο, προτείνονται νέα αρχιτεκτονικά πρότυπα που στοχεύουν στη γεφύρωση του χάσματος μεταξύ της σχεδιαστικής πολυπλοκότητας και της τεχνολογικής παραγωγικότητας, με τη χρήση συστημάτων εξειδικευμένων επιταχυντών υλικού σε ετερογενή συστήματα-σε-ψηφίδα καθώς και δίκτυα-σε-ψηφίδα. Παρουσιάζεται κατάλληλη μεθοδολογία συν-σχεδίασης των επιταχυντών υλικού και του λογισμικού προκειμένου να αποφασισθεί η κατανομή των εργασιών στους διαθέσιμους πόρους του συστήματος/δικτύου. Το μεθοδολογικό πλαίσιο προβλέπει την υλοποίηση των επιταχυντών είτε με συμβατικές μεθόδους προγραμματισμού σε γλώσσα περιγραφής υλικού είτε με αφαιρετικό προγραμματιστικό μοντέλο με τη χρήση τεχνικών υψηλού επιπέδου σύνθεσης. Σε κάθε περίπτωση, δίδεται η δυνατότητα στο σχεδιαστή για βελτιστοποίηση συστημικών μετρικών, όπως η ταχύτητα επεξεργασίας, η ρυθμαπόδοση, η αξιοπιστία, η κατανάλωση ενέργειας και η επιφάνεια πυριτίου του σχεδιασμού. Τέλος, προκειμένου να αντιμετωπισθεί η αυξημένη πολυπλοκότητα στα σχεδιαστικά εργαλεία επαναδιαμορφούμενων συστημάτων, προτείνονται νέοι εξελικτικοί αλγόριθμοι πολυκριτηριακής βελτιστοποίησης, οι οποίοι εκμεταλλευόμενοι τους σύγχρονους πολυπύρηνους επεξεργαστές και την αδρομερή φύση των πολυνηματικών περιβαλλόντων προγραμματισμού (π.χ. OpenMP), μειώνουν το χρόνο επίλυσης του προβλήματος της τοποθέτησης των λογικών πόρων σε φυσικούς,ενώ ταυτόχρονα, ομαδοποιώντας τις εφαρμογές βάση των εγγενών χαρακτηριστικών τους, διερευνούν αποτελεσματικότερα το χώρο σχεδίασης.Η αποδοτικότητά των προτεινόμενων αρχιτεκτονικών προτύπων και μεθοδολογιών επαληθεύτηκε σε σχέση με τις υφιστάμενες λύσεις αιχμής τόσο σε αυτοτελής εφαρμογές, όπως η ψηφιακή επεξεργασία σήματος, τα πολυμέσα και τα προβλήματα αριθμητικής πολυπλοκότητας, καθώς και σε συστημικά ετερογενή περιβάλλοντα, όπως ένα σύστημα όρασης υπολογιστών για αυτόνομα διαστημικά ρομποτικά οχήματα και ένα σύστημα πολλαπλών επιταχυντών υλικού για σταθμούς εργασίας και κέντρα δεδομένων, στοχεύοντας εφαρμογές υψηλής υπολογιστικής απόδοσης (HPC). Τα αποτελέσματα ενισχύουν την πεποίθηση του γράφοντα, ότι η παρούσα διατριβή παρέχει ανταγωνιστική τεχνογνωσία για την αντιμετώπιση των πολύπλοκων σύγχρονων και προβλεπόμενα μελλοντικών σχεδιαστικών προκλήσεων

Status and Future Perspectives for Lattice Gauge Theory Calculations to the Exascale and Beyond

In this and a set of companion whitepapers, the USQCD Collaboration lays out a program of science and computing for lattice gauge theory. These whitepapers describe how calculation using lattice QCD (and other gauge theories) can aid the interpretation of ongoing and upcoming experiments in particle and nuclear physics, as well as inspire new ones.Comment: 44 pages. 1 of USQCD whitepapers