NTX: An Energy-efficient Streaming Accelerator for Floating-point Generalized Reduction Workloads in 22 nm FD-SOI

Specialized coprocessors for Multiply-Accumulate (MAC) intensive workloads such as Deep Learning are becoming widespread in SoC platforms, from GPUs to mobile SoCs. In this paper we revisit NTX (an efficient accelerator developed for training Deep Neural Networks at scale) as a generalized MAC and reduction streaming engine. The architecture consists of a set of 32 bit floating-point streaming co-processors that are loosely coupled to a RISC-V core in charge of orchestrating data movement and computation. Post-layout results of a recent silicon implementation in 22 nm FD-SOI technology show the accelerator\u2019s capability to deliver up to 20 Gflop/s at 1.25 GHz and 168 mW. Based on these results we show that a version of NTX scaled down to 14 nm can achieve a 3 7 energy efficiency improvement over contemporary GPUs at 10.4 7 less silicon area, and a compute performance of 1.4 Tflop/s for training large state-of-the-art networks with full floating-point precision. An extended evaluation of MAC-intensive kernels shows that NTX can consistently achieve up to 87% of its peak performance across general reduction workloads beyond machine learning. Its modular architecture enables deployment at different scales ranging from high-performance GPU-class to low-power embedded scenario

Energy Efficient Seismic Wave Propagation Simulation on a Low-power Manycore Processor.

International audienceLarge-scale simulation of seismic wave propagation is an active research topic. Its high demand for processing power makes it a good match for High Performance Computing (HPC). Although we have observed a steady increase on the processing capabilities of HPC platforms, their energy efficiency is still lacking behind. In this paper, we analyze the use of a low-power manycore processor, the MPPA-256, for seismic wave propagation simulations. First we look at its peculiar characteristics such as limited amount of on-chip memory and describe the intricate solution we brought forth to deal with this processor's idiosyncrasies. Next, we compare the performance and energy efficiency of seismic wave propagation on MPPA-256 to other commonplace platforms such as general-purpose processors and a GPU. Finally, we wrap up with the conclusion that, even if MPPA-256 presents an increased software development complexity, it can indeed be used as an energy efficient alternative to current HPC platforms, resulting in up to 71% and 5.18x less energy than a GPU and a general-purpose processor, respectively

Towards seismic wave modeling on heterogeneous many-core architectures using task-based runtime system

International audienceUnderstanding three-dimensional seismic wave propagation in complex media remains one of the main challenges of quantitative seismology. Because of its simplicity and numerical efficiency, the finite-differences method is one of the standard techniques implemented to consider the elastodynamics equation. Additionally, this class of modelling heavily relies on parallel architectures in order to tackle large scale geometries including a detailed description of the physics. Last decade, significant efforts have been devoted towards efficient implementation of the finite-differences methods on emerging architectures. These contributions have demonstrated their efficiency leading to robust industrial applications. The growing representation of heterogeneous architectures combining general purpose multicore platforms and accelerators leads to redesign current parallel application. In this paper, we consider StarPU task-based runtime system in order to harness the power of heterogeneous CPU+GPU computing nodes. We detail our implementation and compare the performance obtained with the classical CPU or GPU only versions. Preliminary results demonstrate significant speedups in comparison with the best implementation suitable for homogeneous cores

Expert and operator perspectives on barriers to energy efficiency in data centers

It was last estimated in 2016 that data centers (DCs) comprise approximately 2% of total US electricity consumption. However, this estimate is currently being updated to account for the massive increase in computing needs due to streaming, cryptocurrency, and artificial intelligence (AI). To prevent energy consumption that tracks with increasing computing needs, it is imperative we identify energy efficiency strategies and investments beyond the low-hanging fruit solutions. In a two-phased research approach, we ask: What non-technical barriers still impede energy efficiency (EE) practices and investments in the data center sector, and what can be done to overcome these barriers? In particular, we are focused on social and organizational barriers to EE. In Phase I, we performed a literature review and found that technical solutions are abundant in the literature, but fail to address the top-down cultural shifts that need to take place in order to adapt new energy efficiency strategies. In Phase II, reported here, we interviewed 16 data center operators/experts to ground-truth our literature findings. Our interview protocols focus on three aspects of DC decision-making: procurement practices, metrics and monitoring, and perceived barriers to energy efficiency. We find that vendors are the key drivers of procurement decisions, advanced efficiency metrics are facility-specific, and there is convergence in the design of advanced facilities due to the heat density of parallelized infrastructure. Our ultimate goals for our research are to design DC decarbonization policies that target organizational structure, empower individual staff, and foster a supportive external market

Perfilagem do problema de resolução da equação da onda por diferenças finitas em coprocessador Xeon Phi

Software Optimization is a promising technique to scientific computing applications, which can have calculations that may require several hours or even days. The idea of this work is to validate, using performance metrics, the optimization of a finite differences code that solve the wave equation in isotropic media (ISO) in two dimensional (2D) and also, transverse tilted isotropic (TTI) three dimensional (3D) media. The objective is to measure the number of floating point operations per second (FLOP/s) and the arithmetic intensity of the code developed with the use of the Many Integrated Cores (MIC) technology, pointing its operational limites and how near of these limits is this code.A computação científica, que envolve cálculos que duram de várias horas a dias, tem na otimização de código um meio de vital importância. A proposta deste trabalho é validar, através de métricas de desempenho, a otimização de uma implementação da equação da onda nos meios isotrópicos (ISO) em duas dimensões (2D) e com Isotropia Transversalmente Inclinada (TTI) em três dimensões (3D). Pretende-se medir a quantidade de operações em ponto flutuante por segundo (FLOP/s) e a intensidade aritmética (IA) do código desenvolvido utilizando a tecnologia de Many Integrated Cores (MIC), apontando seus limites operacionais e o quão próximo destes limites este código ficou

Optimización de algoritmos bioinspirados en sistemas heterogéneos CPU-GPU.

Los retos científicos del siglo XXI precisan del tratamiento y análisis de una ingente cantidad de información en la conocida como la era del Big Data. Los futuros avances en distintos sectores de la sociedad como la medicina, la ingeniería o la producción eficiente de energía, por mencionar sólo unos ejemplos, están supeditados al crecimiento continuo en la potencia computacional de los computadores modernos. Sin embargo, la estela de este crecimiento computacional, guiado tradicionalmente por la conocida “Ley de Moore”, se ha visto comprometido en las últimas décadas debido, principalmente, a las limitaciones físicas del silicio. Los arquitectos de computadores han desarrollado numerosas contribuciones multicore, manycore, heterogeneidad, dark silicon, etc, para tratar de paliar esta ralentización computacional, dejando en segundo plano otros factores fundamentales en la resolución de problemas como la programabilidad, la fiabilidad, la precisión, etc. El desarrollo de software, sin embargo, ha seguido un camino totalmente opuesto, donde la facilidad de programación a través de modelos de abstracción, la depuración automática de código para evitar efectos no deseados y la puesta en producción son claves para una viabilidad económica y eficiencia del sector empresarial digital. Esta vía compromete, en muchas ocasiones, el rendimiento de las propias aplicaciones; consecuencia totalmente inadmisible en el contexto científico. En esta tesis doctoral tiene como hipótesis de partida reducir las distancias entre los campos hardware y software para contribuir a solucionar los retos científicos del siglo XXI. El desarrollo de hardware está marcado por la consolidación de los procesadores orientados al paralelismo masivo de datos, principalmente GPUs Graphic Processing Unit y procesadores vectoriales, que se combinan entre sí para construir procesadores o computadores heterogéneos HSA. En concreto, nos centramos en la utilización de GPUs para acelerar aplicaciones científicas. Las GPUs se han situado como una de las plataformas con mayor proyección para la implementación de algoritmos que simulan problemas científicos complejos. Desde su nacimiento, la trayectoria y la historia de las tarjetas gráficas ha estado marcada por el mundo de los videojuegos, alcanzando altísimas cotas de popularidad según se conseguía más realismo en este área. Un hito importante ocurrió en 2006, cuando NVIDIA (empresa líder en la fabricación de tarjetas gráficas) lograba hacerse con un hueco en el mundo de la computación de altas prestaciones y en el mundo de la investigación con el desarrollo de CUDA “Compute Unified Device Arquitecture. Esta arquitectura posibilita el uso de la GPU para el desarrollo de aplicaciones científicas de manera versátil. A pesar de la importancia de la GPU, es interesante la mejora que se puede producir mediante su utilización conjunta con la CPU, lo que nos lleva a introducir los sistemas heterogéneos tal y como detalla el título de este trabajo. Es en entornos heterogéneos CPU-GPU donde estos rendimientos alcanzan sus cotas máximas, ya que no sólo las GPUs soportan el cómputo científico de los investigadores, sino que es en un sistema heterogéneo combinando diferentes tipos de procesadores donde podemos alcanzar mayor rendimiento. En este entorno no se pretende competir entre procesadores, sino al contrario, cada arquitectura se especializa en aquella parte donde puede explotar mejor sus capacidades. Donde mayor rendimiento se alcanza es en estos clústeres heterogéneos, donde múltiples nodos son interconectados entre sí, pudiendo dichos nodos diferenciarse no sólo entre arquitecturas CPU-GPU, sino también en las capacidades computacionales dentro de estas arquitecturas. Con este tipo de escenarios en mente, se presentan nuevos retos en los que lograr que el software que hemos elegido como candidato se ejecuten de la manera más eficiente y obteniendo los mejores resultados posibles. Estas nuevas plataformas hacen necesario un rediseño del software para aprovechar al máximo los recursos computacionales disponibles. Se debe por tanto rediseñar y optimizar los algoritmos existentes para conseguir que las aportaciones en este campo sean relevantes, y encontrar algoritmos que, por su propia naturaleza sean candidatos para que su ejecución en dichas plataformas de alto rendimiento sea óptima. Encontramos en este punto una familia de algoritmos denominados bioinspirados, que utilizan la inteligencia colectiva como núcleo para la resolución de problemas. Precisamente esta inteligencia colectiva es la que les hace candidatos perfectos para su implementación en estas plataformas bajo el nuevo paradigma de computación paralela, puesto que las soluciones pueden ser construidas en base a individuos que mediante alguna forma de comunicación son capaces de construir conjuntamente una solución común. Esta tesis se centrará especialmente en uno de estos algoritmos bioinspirados que se engloba dentro del término metaheurísticas bajo el paradigma del Soft Computing, el Ant Colony Optimization “ACO”. Se realizará una contextualización, estudio y análisis del algoritmo. Se detectarán las partes más críticas y serán rediseñadas buscando su optimización y paralelización, manteniendo o mejorando la calidad de sus soluciones. Posteriormente se pasará a implementar y testear las posibles alternativas sobre diversas plataformas de alto rendimiento. Se utilizará el conocimiento adquirido en el estudio teórico-práctico anterior para su aplicación a casos reales, más en concreto se mostrará su aplicación sobre el plegado de proteínas. Todo este análisis es trasladado a su aplicación a un caso concreto. En este trabajo, aunamos las nuevas plataformas hardware de alto rendimiento junto al rediseño e implementación software de un algoritmo bioinspirado aplicado a un problema científico de gran complejidad como es el caso del plegado de proteínas. Es necesario cuando se implementa una solución a un problema real, realizar un estudio previo que permita la comprensión del problema en profundidad, ya que se encontrará nueva terminología y problemática para cualquier neófito en la materia, en este caso, se hablará de aminoácidos, moléculas o modelos de simulación que son desconocidos para los individuos que no sean de un perfil biomédico.Ingeniería, Industria y Construcció

Hardware/software co-design for energy-efficient seismic modeling

Reverse Time Migration (RTM) has become the standard for high-quality imaging in the seismic industry. RTM relies on PDE solutions using stencils that are 8 t h order or larger, which require large-scale HPC clusters to meet the computational demands. However, the rising power consumption of conventional cluster technology has prompted investigation of architectural alternatives that offer higher computational efficiency. In this work, we compare the performance and energy efficiency of three architectural alternatives – the Intel Nehalem X5530 multicore processor, the NVIDIA Tesla C2050 GPU, and a general-purpose manycore chip design optimized for high-order wave equations called “Green Wave. ” We have developed an FPGA-accelerated architectural simulation platform to accurately model the power and performance of the Green Wave design. Results show that across highly-tuned high-order RTM stencils, the Green Wave implementation can offer up to 8 × and 3.5× energy efficiency improvement per node respectively, compared with the Nehalem and GPU platforms. These results point to the enormous potential energy advantages of our hardware/software co-design methodology

Dependable Embedded Systems

This Open Access book introduces readers to many new techniques for enhancing and optimizing reliability in embedded systems, which have emerged particularly within the last five years. This book introduces the most prominent reliability concerns from today’s points of view and roughly recapitulates the progress in the community so far. Unlike other books that focus on a single abstraction level such circuit level or system level alone, the focus of this book is to deal with the different reliability challenges across different levels starting from the physical level all the way to the system level (cross-layer approaches). The book aims at demonstrating how new hardware/software co-design solution can be proposed to ef-fectively mitigate reliability degradation such as transistor aging, processor variation, temperature effects, soft errors, etc. Provides readers with latest insights into novel, cross-layer methods and models with respect to dependability of embedded systems; Describes cross-layer approaches that can leverage reliability through techniques that are pro-actively designed with respect to techniques at other layers; Explains run-time adaptation and concepts/means of self-organization, in order to achieve error resiliency in complex, future many core systems