Transparent spatial sharing of multiple and heterogeneous accelerators
Authors: Παυλιδάκης Εμμανουήλ 
Published: March 2024

Σήμερα, η αποτελεσματική χρήση πολλαπλών ετερογενών επιταχυντών σε εφαρμογές αλλά και σε δομές μηχανικής μάθησης (Machine Learning Frameworks) όπως το Tensor Flow, το Py-Torch και το Caffe παρουσιάζει τέσσερις βασικές προκλήσεις: (α) Την κοινή χρήση ετερογενών επιταχυντών, (β) την ελαστική κατανομή των διαθέσιμων πόρων κατά την διάρκεια εκτέλεσης των εφαρμογών, (γ) την εξασφάλιση της απαιτούμενης απόδοσης σε εφαρμογές που η χρονική καθυστέρηση είναι σημαντική και (δ) την προστασία των δεδομένων των εφαρμογών που διαμοιράζονται ένα επιταχυντή. Σε αυτή τη διατριβή, εισάγουμε ένα νέο σύστημα χρόνου εκτέλεσης που έχει σχεδιαστεί για να αποσυνδέει τις εφαρμογές από τις περιπλοκές διαδικασίες που απαιτούνται για την χρήση ετερογενών επιταχυντών. Η προσέγγισή μας περιλαμβάνει μια διεπαφή προγραμματισμού εφαρμογών (application programming interface) που χρησιμοποιείται από τις εφαρμογές και έτσι τους επιτρέπει να γράφονται μία φορά χωρίς να λαμβάνονται υπόψη λεπτομέρειες όπως ο αριθμός ή ο τύπος των επιταχυντών. Με τη χρήση του συστήματός μας, οι εφαρμογές απελευθερώνονται από την επιβάρυνση της επιλογής επιταχυντή, της δέσμευσης μνήμης και της διαχείρισης μνήμης. Όλες αυτές οι περίπλοκες διεργασίες διεκπεραιώνονται από μια υπηρεσία υποστήριξης – που αναφέρεται ως διακομιστής (server)– η οποία είναι κοινή και την διαμοιράζονται όλες οι εφαρμογές που εκτελούνται σε ένα κόμβο. Ο διακομιστής έχει τέσσερα βασικά χαρακτηριστικά. Πρώτον, η ανάθεση μιας διεργασίας σε ένα επιταχυντή πραγματοποιείται την τελευταία στιγμή και όχι κατά την αρχικοποίηση της εφαρμογής όπως συμβαίνει με τις υπάρχουσες μεθόδους. Μετά την απόφαση ανάθεσης της διεργασίας και ακριβώς πριν από την εκτέλεση αυτής, ο διακομιστής μεταφέρει τα απαραίτητα δεδομένα στον επιλεγμένο επιταχυντή. Αυτή η δυναμική ανάθεση εργασιών και η καθυστερημένη τοποθέτηση δεδομένων επιτρέπουν την προσαρμογή στις αλλαγές φόρτου εφαρμογής. Δεύτερον, για να διασφαλιστεί ο χρόνος απόκρισης σε συγκριμένες εφαρμογές όταν αυτές διαμοιράζονται χρονικά μια κάρτα γραφικών, με άλλες που έχουν πυρήνες (kernels) που ο χρόνος εκτέλεσης τους είναι πολύ μεγάλος, ο διακομιστής μπορεί να σταματήσει την εκτέλεση αυτών των μεγάλων πυρήνων χρησιμοποιώντας ένα μηχανισμό ανάκλησης (revocation). Ο μηχανισμός ανάκλησής σταματά μια διεργασία τερματίζοντας πρόωρα τον πυρήνα που βρίσκεται σε εξέλιξη χωρίς να αποθηκεύει τα δεδομένα που χρησιμοποιεί και τον ξανά ξεκινάει αργότερα. Ο διακομιστής χρησιμοποιεί έναν προγραμματιστή χρόνου εκτέλεσης (scheduler) που δίνει προτεραιότητα σε κρίσιμες εφαρμογές έναντι άλλων χωρίς αυστηρές χρονικές απαιτήσεις και καθοδηγεί τον μηχανισμό ανάκλησης πότε πρέπει να σταματήσει ένα πυρήνα που εκτελείται. Τρίτον, για να υποστηρίξει την χωρική διαμοίραση επιταχυντών μεταξύ εφαρμογών, ο διακομιστής δημιουργεί πολλαπλές ουρές εντολών σε κάθε επιταχυντή. ́Οσον αφορά τις FPGA, ο διακομιστής φορτώνει κυκλώματα (bit-streams) πολλαπλών πυρήνων και μπορεί να (επανα)προγραμματίσει την FPGA με το κατάλληλο bit-stream που απαιτείται για κάθε διεργασία. Ο χωρικός διαμοιρασμός επιταχυντών αυξάνει τη χρήση των πόρων του επιταχυντή και βελτιώνειτον χρόνο απόκρισης των εφαρμογών σε σχέση με τον χρονικό διαμοιρασμό, όμως εις βάρος της προστασίας των δεδομένων. Η δυνατότητα που έχει μια εφαρμογή να διαβάσει και να γράψει τα δεδομένα μιας άλλης όταν χρησιμοποιούν ταυτόχρονα την ίδια κάρτα γραφικών κάνει τον χωρικό διαμοιρασμό αυτου του τύπου τον επιταχυντών σε περιβάλλοντα σύννεφου (cloud environments) που υπάρχουν πολλοί χρήστες να είναι απαγορευτική. Για να επιλύσουμε αυτό το ζήτημα, σχεδιάσαμε και εφαρμόσαμε μια τεχνική που εφαρμόζεται σε εικονική γλώσσα μηχανής (virtual assembly), δεν χρειάζεται παραπάνω ή ειδικές μονάδες υλικού (hardware units) και τέλος υποστηρίζει ML frameworks που χρησιμοποιούν κλειστές βιβλιοθήκες. Για να ελαχιστοποιήσουμε την προσπάθεια μεταφοράς των υπαρχουσών CUDA εφαρμογών στην δικιά μας διεπαφή προγραμματισμού (API), εξετάζουμε την υποκλοπή κλήσεων του CUDAAPI σε διάφορα επίπεδα, δηλαδή το CUDA runtime, το CUDA driver, και κλήσεις σε υψηλού επιπέδου βιβλιοθήκες. Σε αυτήν την διατριβή δείξαμε ότι αν υποκλέψουμε μόνο τις CUDA run-time και CUDA driver βιβλιοθήκες είναι αρκετό για να τρέξουμε περίπλοκλα Machine Learning Frameworks. Επιπλέον αυτού του είδους η προσέγγισή είναι πιο αποδοτική σε σχέση με προηγούμενες διότι απαιτεί την διαχείριση λιγότερων κλήσεων. Για να αξιολογήσουμε το σύστημα μας χρησιμοποιούμε πραγματικές εφαρμογές όπως τα Caffe, TensorFlow, PyTorch και Rodinia. Επιπλέον χρησιμοποιήσαμε πολλαπλούς και διαφορετικούς τύπου επιταχυντές όπως GPUs, FPGAs, και CPUs. Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι οι εφαρμογές που χρησιμοποιούν το σύστημά μας μπορούν με ασφάλεια να μοιράζονται πολλούς και διαφορετικού τύπου επιταχυντές χωρίς καμία τροποποίηση, με χαμηλό κόστος και με εγγυήσεις καθυστέρησης.