Architectural explorations for streaming accelerators with customized memory layouts
Authors:   , Shafiq Muhammad 
Published: July 2023

El concepto básico de la arquitectura mono-nucleo en los procesadores de propósito general se ajusta bien a un modelo de programación secuencial. La integración de multiples núcleos en un solo chip ha permitido a los procesadores correr partes del programa en paralelo. Sin embargo, la explotación del enorme paralelismo disponible en muchas aplicaciones de alto rendimiento y de los datos correspondientes es difícil de conseguir usando unicamente multicores de propósito general. La aparición de aceleradores tipo streaming y de los correspondientes modelos de programación han mejorado esta situación proporcionando arquitecturas orientadas al proceso de flujos de datos. La idea básica detrás del diseño de estas arquitecturas responde a la necesidad de procesar conjuntos enormes de datos. Estos dispositivos de alto rendimiento orientados a flujos permiten el procesamiento rapido de datos mediante el uso eficiente de computación paralela y comunicación entre procesos.

Los aceleradores streaming orientados a flujos, igual que en otros procesadores, consisten en diversos componentes micro-arquitectonicos como por ejemplo las estructuras de memoria, las unidades de computo, las unidades de control, los canales de Entrada/Salida y controles de Entrada/Salida, etc. Sin embargo, los requisitos del flujo de datos agregan algunas características especiales e imponen otras restricciones que afectan al rendimiento. Estos dispositivos, por lo general, ofrecen un gran número de recursos computacionales, pero obligan a reorganizar los conjuntos de datos en paralelo, maximizando la independiencia para alimentar los recursos de computación en forma de flujos.

La disposición de datos en conjuntos independientes de flujos paralelos no es una tarea sencilla. Es posible que se tenga que cambiar la estructura de un algoritmo en su conjunto o, incluso, puede requerir la reescritura del algoritmo desde cero. Sin embargo, todos estos esfuerzos para la reordenación de los patrones de las aplicaciones de acceso a datos puede que no sean muy útiles para lograr un rendimiento óptimo. Esto es debido a las posibles limitaciones microarquitectonicas de la plataforma de destino para los mecanismos hardware de prefetch, el tamaño y la granularidad del almacenamiento local, y la flexibilidad para disponer de forma serial los datos en el interior del almacenamiento local. Las limitaciones de una plataforma de streaming de proposito general para el prefetching de datos, almacenamiento y demas procedimientos para organizar y mantener los datos en forma de flujos paralelos e independientes podría ser eliminado empleando técnicas a nivel micro-arquitectonico. Esto incluye el uso de memorias personalizadas especificamente para las aplicaciones en el front-end de una arquitectura streaming.

El objetivo de esta tesis es presentar exploraciones arquitectónicas de los aceleradores streaming con diseños de memoria personalizados. En general, la tesis cubre tres aspectos principales de tales aceleradores. Estos aspectos se pueden clasificar como: i) Diseño de aceleradores de aplicaciones específicas con diseños de memoria personalizados, ii) diseño de aceleradores con memorias personalizadas basados en plantillas, y iii) exploraciones del espacio de diseño para dispositivos orientados a flujos con las memorias estándar y personalizadas.

Esta tesis concluye con la propuesta conceptual de una Blacksmith Streaming Architecture (BSArc). El modelo de computación Blacksmith permite la adopción a nivel de hardware de un front-end de aplicación específico utilizando una GPU como back-end. Esto permite maximizar la explotación de la localidad de datos y el paralelismo a nivel de datos de una aplicación mientras que proporciona un flujo mayor de datos al back-end. Consideramos que el diseño de estos procesadores con memorias especializadas debe ser proporcionado por expertos del dominio de aplicación en la forma de plantillas.
The basic concept behind the architecture of a general purpose CPU core conforms well to a serial programming model. The integration of more cores on a single chip helped CPUs in running parts of a program in parallel. However, the utilization of huge parallelism available from many high performance applications and the corresponding data is hard to achieve from these general purpose multi-cores. Streaming accelerators and the corresponding programing models improve upon this
situation by providing throughput oriented architectures. The basic idea behind the design of these architectures matches the everyday increasing requirements of processing huge data sets. These high-performance throughput oriented devices help in high performance processing of data by using efficient parallel computations and streaming based communications.

The throughput oriented streaming accelerators ¿ similar to the other processors ¿ consist of numerous types of micro-architectural components including the memory structures, compute units, control units, I/O channels and I/O controls etc. However, the throughput requirements add some special features and impose other restrictions for the performance purposes. These devices, normally, offer a large number of compute resources but restrict the applications to arrange parallel and maximally independent data sets to feed the compute resources in the form of streams.

The arrangement of data into independent sets of parallel streams is not an easy and simple task. It may need to change the structure of an algorithm as a whole or even it can require to write a new algorithm from scratch for the target application. However, all these efforts for the re-arrangement of application data access patterns may still not be very helpful to achieve the optimal performance. This is because of the possible micro-architectural constraints of the target platform for the hardware pre-fetching mechanisms, the size and the granularity of the local storage and the flexibility in data marshaling inside the local storage. The constraints of a general purpose streaming platform on the data pre-fetching, storing and maneuvering to arrange and maintain it in the form of parallel and independent streams could be removed by employing micro-architectural level design approaches. This includes the usage of application specific customized memories in the front-end of a streaming architecture.

The focus of this thesis is to present architectural explorations for the streaming accelerators using customized memory layouts. In general the thesis covers three main aspects of such streaming accelerators in this research. These aspects can be categorized as : i) Design of Application Specific Accelerators with Customized Memory Layout ii) Template Based Design Support for Customized Memory Accelerators and iii) Design Space Explorations for Throughput Oriented Devices with Standard and Customized Memories.

This thesis concludes with a conceptual proposal on a Blacksmith Streaming Architecture (BSArc). The Blacksmith Computing allow the hardware-level adoption of an application specific front-end with a GPU like streaming back-end. This gives an opportunity to exploit maximum possible data locality and the data level parallelism from an application while providing a throughput natured powerful back-end. We consider that the design of these specialized memory layouts for the front-end of the device are provided by the application domain experts in the form of templates. These templates are adjustable according to a device and the problem size at the device's configuration time. The physical availability of such an architecture may still take time. However, simulation framework helps in architectural explorations to give insight into the proposal and predicts potential performance benefits for such an architecture.