Advanced analytics through FPGA based query processing and deep reinforcement learning
Authors:   , Malazgirt Gorker Alp 
Published: July 2023

Today, vast streams of structured and unstructured data have been incorporated in databases, and analytical processes are applied to discover patterns, correlations, trends and other useful relationships that help to take part in a broad range of decision-making processes. The amount of generated data has grown very large over the years, and conventional database processing methods from previous generations have not been sufficient to provide satisfactory results regarding analytics performance and prediction accuracy metrics. Thus, new methods are needed in a wide array of fields from computer architectures, storage systems, network design to statistics and physics.
This thesis proposes two methods to address the current challenges and meet the future demands of advanced analytics. First, we present AxleDB, a Field Programmable Gate Array based query processing system which constitutes the frontend of an advanced analytics system. AxleDB melds highly-efficient accelerators with memory, storage and provides a unified programmable environment. AxleDB is capable of offloading complex Structured Query Language queries from host CPU. The experiments have shown that running a set of TPC-H queries, AxleDB can perform full queries between 1.8x and 34.2x faster and 2.8x to 62.1x more energy efficient compared to MonetDB, and PostgreSQL on a single workstation node.
Second, we introduce TauRieL, a novel deep reinforcement learning (DRL) based method for combinatorial problems. The design idea behind combining DRL and combinatorial problems is to apply the prediction capabilities of deep reinforcement learning and to use the universality of combinatorial optimization problems to explore general purpose predictive methods. TauRieL utilizes an actor-critic inspired DRL architecture that adopts ordinary feedforward nets. Furthermore, TauRieL performs online training which unifies training and state space exploration. The experiments show that TauRieL can generate solutions two orders of magnitude faster and performs within 3% of accuracy compared to the state-of-the-art DRL on the Traveling Salesman Problem while searching for the shortest tour. Also, we present that TauRieL can be adapted to the Knapsack combinatorial problem. With a very minimal problem specific modification, TauRieL can outperform a Knapsack specific greedy heuristics.

Hoy en día, se han incorporado grandes cantidades de datos estructurados y no estructurados en las bases de datos, y se les aplican procesos analíticos para descubrir patrones, correlaciones, tendencias y otras relaciones útiles que se utilizan mayormente para la toma de decisiones. La cantidad de datos generados ha crecido enormemente a lo largo de los años, y los métodos de procesamiento de bases de datos convencionales utilizados en las generaciones anteriores no son suficientes para proporcionar resultados satisfactorios respecto al rendimiento del análisis y respecto de la precisión de las predicciones. Por lo tanto, se necesitan nuevos métodos en una amplia gama de campos, desde arquitecturas de computadoras, sistemas de almacenamiento, diseño de redes hasta estadísticas y física. Esta tesis propone dos métodos para abordar los desafíos actuales y satisfacer las demandas futuras de análisis avanzado. Primero, presentamos AxleDB, un sistema de procesamiento de consultas basado en FPGAs (Field Programmable Gate Array) que constituye la interfaz de un sistema de análisis avanzado. AxleDB combina aceleradores altamente eficientes con memoria, almacenamiento y proporciona un entorno programable unificado. AxleDB es capaz de descargar consultas complejas de lenguaje de consulta estructurado desde la CPU del host. Los experimentos han demostrado que al ejecutar un conjunto de consultas TPC-H, AxleDB puede realizar consultas completas entre 1.8x y 34.2x más rápido y 2.8x a 62.1x más eficiente energéticamente que MonetDB, y PostgreSQL en un solo nodo de una estación de trabajo. En segundo lugar, presentamos TauRieL, un nuevo método basado en Deep Reinforcement Learning (DRL) para problemas combinatorios. La idea central que está detrás de la combinación de DRL y problemas combinatorios, es aplicar las capacidades de predicción del aprendizaje de refuerzo profundo y el uso de la universalidad de los problemas de optimización combinatoria para explorar métodos predictivos de propósito general. TauRieL utiliza una arquitectura DRL inspirada en el actor-crítico que se adapta a redes feedforward. Además, TauRieL realiza el entrenamieton en línea que unifica el entrenamiento y la exploración espacial de los estados. Los experimentos muestran que TauRieL puede generar soluciones dos órdenes de magnitud más rápido y funciona con un 3% de precisión en comparación con el estado del arte en DRL aplicado al problema del viajante mientras busca el recorrido más corto. Además, presentamos que TauRieL puede adaptarse al problema de la Mochila. Con una modificación específica muy mínima del problema, TauRieL puede superar a una heurística codiciosa de Knapsack Problem.