[논문]프로세서 노드 상황을 고려하는 저비용 파이프라인 브로드캐스트 하드웨어 엔진

Park, Jongsu

doi:10.6109/jkiice.2020.24.8.1109

프로세서 노드 상황을 고려하는 저비용 파이프라인 브로드캐스트 하드웨어 엔진
Low Cost Hardware Engine of Atomic Pipeline Broadcast Based on Processing Node Status 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.24 no.8, 2020년, pp.1109 - 1112

Park, Jongsu (Department of Electronic Engineering, Mokwon University)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a low cost hardware message passing engine of enhanced atomic pipelined broadcast based on processing node status. In this algorithm, the previous atomic pipelined broadcast algorithm is modified to reduce the waiting time until next broadcast communication. For this, the processor change the transmission order of processing nodes based on the nodes' communication channel. Also, the hardware message passing engine architecture of the proposed algorithm is modified to be adopted to multi-core processor. The synthesized logic area of the proposed hardware message passing engine was reduced by about 16%, compared by the pre-existing hardware message passing engine.

주제어

표/그림 (5)

그림 Fig. 1 3-cycles waiting time required in previous atomic pipelined broadcast algorithm
그림 Fig. 2 No waiting time required in proposed pipelined broadcast algorithm
그림 Fig. 3 No waiting time required in proposed pipelined broadcast algorithm
그림 Fig. 4 No waiting time required in proposed pipelined broadcast algorithm
그림 Fig. 5 Hardware message passing engine of the proposed pipelined broadcast algorithm

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 아토믹 파이프라인 브로드캐스트 알고리즘의 구조적인 한계점을 극복하기 위하여, 각 프로세싱 노드의 통신 상황을 고려하는 효율적인 저비용 브로드캐스트 알고리즘과 그 것의 하드웨어 엔진을 제안한다.
본 논문은 멀티코어 및 매니코어 프로세서의 성능을 최대화하기 위하여 프로세서 노드 사이에서의 데이터전송 속도를 높이는 방안을 제안하였다. 집합통신 중 가장 빈번히 사용되는 방식이 브로드캐스트이며, 브로드캐스트 통신의 전송속도를 높이기 위하여 기존 아토믹파이프라인 브로드캐스트 알고리즘을 저비용 하드웨어 메시지 패싱 엔진으로 구현할 수 있는 알고리즘과 하드웨어 구조를 제안하였다.

가설 설정

SystemC로 모델링하였다. 또한 브로드캐스트 통신의 전송 시간을 측정하기 위하여 클럭 주파수는 100MHz, 버스대역폭은 시스템 클럭 사이클 당 4byte로 가정하였다. 전송 데이터 메시지 크기는 최소 4byte에서 최대 2048byte로 변화시켰고, 프로세서 노드의 수가 각각 16개와 32개 상황에서 측정하였다.
동작을 보여준다. 멀티코어 프로세서 내부에서 총 8개의 프로세서 노드 중 4개의 프로세서 노드가 이전의 통신을 처리 중일 때, 브로드캐스트 커맨드가 입력되는 상황을 가정하였다. 기존 아토믹 파이프라인 브로드캐스트 알고리즘은 프로세서 노드들의 통신 상황을 인지할 수 없기 때문에, 모든 프로세서 노드가 ‘free’ 상태가 되었을 때까지 기다려야만 하고 그 후 브로드캐스트 통신을 시작한다.

제안 방법

전송 시간을 측정한 결과이다. 각각 프로세서 노드가 16개와 32개인 상황이며, 기존 아토믹 파이프라인 브로드캐스트 알고리즘을 기준으로 제안된 저비용 브로드캐스트 알고리즘의 향상된 전송 속도를 비율로 표현했다. 모든 데이터 메시지 사이즈에서 제안된 알고리즘이 기존 알고리즘보다 높은 성능을 보이며, 데이터 메시지의 크기가 작을수록 더 높은 성능을 또한 브로드캐스트 통신의 전송 시간을 측정하기 위하여 클럭 주파수는 100MHz, 버스대역폭은 시스템 클럭 사이클 당 4byte로 가정하였다. 전송 데이터 메시지 크기는 최소 4byte에서 최대 2048byte로 변화시켰고, 프로세서 노드의 수가 각각 16개와 32개 상황에서 측정하였다.
속도를 높이는 방안을 제안하였다. 집합통신 중 가장 빈번히 사용되는 방식이 브로드캐스트이며, 브로드캐스트 통신의 전송속도를 높이기 위하여 기존 아토믹파이프라인 브로드캐스트 알고리즘을 저비용 하드웨어 메시지 패싱 엔진으로 구현할 수 있는 알고리즘과 하드웨어 구조를 제안하였다. 제안된 저비용 파이프라인 브로드캐스트 알고리즘은 전송 데이터 크기가 작을수록, 그리고 남아있는 이전 통신 데이터 크기가 클수록 더 높은 성능을 보인다.

이론/모형

제안된 저비용 파이프라인 브로드캐스트의 성능을 측정하기 위하여 기존 아토믹 파이프라인 브로드캐스트알고리즘과 제안된 알고리즘의 BFM (Bus Functional Model)를 SystemC로 모델링하였다. 또한 브로드캐스트 통신의 전송 시간을 측정하기 위하여 클럭 주파수는 100MHz, 버스대역폭은 시스템 클럭 사이클 당 4byte로 가정하였다.

성능/효과

각각 프로세서 노드가 16개와 32개인 상황이며, 기존 아토믹 파이프라인 브로드캐스트 알고리즘을 기준으로 제안된 저비용 브로드캐스트 알고리즘의 향상된 전송 속도를 비율로 표현했다. 모든 데이터 메시지 사이즈에서 제안된 알고리즘이 기존 알고리즘보다 높은 성능을 보이며, 데이터 메시지의 크기가 작을수록 더 높은 성능을 보이고 있다. 또한 남아있는 이전 통신의 데이터 크기가 클수록 더 높은 성능을 보인다.
[7]에서 제안된 고비용 하드웨어 엔진과 비교했을 때, 상태 레지스터의 비트가 줄었으며, 피지컬 어드레스는 로지컬 어드레스로 변환하는 부분이 간단해졌기 때문에 하드웨어의 크기가 줄었다. 이로써 기존의 하드웨어 메시지 패싱 엔진의 게이트 수가 약 2290인 것에 비하여 약 1960으로 약 16%가 감소하는 합성결과를 얻을 수 있었다.
집합통신 중 가장 빈번히 사용되는 방식이 브로드캐스트이며, 브로드캐스트 통신의 전송속도를 높이기 위하여 기존 아토믹파이프라인 브로드캐스트 알고리즘을 저비용 하드웨어 메시지 패싱 엔진으로 구현할 수 있는 알고리즘과 하드웨어 구조를 제안하였다. 제안된 저비용 파이프라인 브로드캐스트 알고리즘은 전송 데이터 크기가 작을수록, 그리고 남아있는 이전 통신 데이터 크기가 클수록 더 높은 성능을 보인다. 또한 저비용 구조로서 합성 후 게이트 수가 약 16%가 개선되어, 향후 다양한 멀티코어 프로세서에서 효과적으로 사용될 수 있음을 보였다.
제안된 파이프라인 브로드캐스트는 [7]에서 제안된 그룹 내부에서도 통신 순서를 변경할 수 있는 알고리즘보다 전송 속도가 약간 느릴 수 있다. 하지만 본 알고리즘은 온칩(on-chip)에 적용하는 것이 목적이기 때문에 더 작은 게이트 수로 구현이 가능한 장점을 가지고 있다.

후속연구

제안된 저비용 파이프라인 브로드캐스트 알고리즘은 전송 데이터 크기가 작을수록, 그리고 남아있는 이전 통신 데이터 크기가 클수록 더 높은 성능을 보인다. 또한 저비용 구조로서 합성 후 게이트 수가 약 16%가 개선되어, 향후 다양한 멀티코어 프로세서에서 효과적으로 사용될 수 있음을 보였다.
이 방식은 추후 추가적인 연구를 통하여 하드웨어 복잡도에 따라 ‘free’와 ‘busy’ 그룹의 이원화에서 벗어나 전송 중인 남은 데이터 크기에 따라 그룹을 세분화할 수 있다.
제안된 저비용 파이프라인 브로드캐스트 알고리즘은 기존 아토믹 파이프라인 브로드캐스트 알고리즘의 한계점 극복을 위하여 제안된다. 브로드캐스트 커맨드가 입력되면, 프로세서는 내부의 모든 노드들의 통신 상태를 체크한 뒤 ‘free’ 프로세서 노드들을 브로드캐스트 통신의 앞부분에 위치시키고, ‘busy’ 프로세서 노드들을 뒷부분에 위치시킨다.

참고문헌 (7)

P. Lotfi-Kamran, M. Modarressi, and H. Sarbazi-Azad, "An Efficient Hybrid-Switched Network-on-Chip for Chip Multiprocessors," IEEE Transactions on Computers, vol. 65, pp. 1656-1662, 2016.

상세보기
S. Wilson, "Methods in Computational Chemistry: Volume 3: Concurrent Computation in Chemical Calculations," Springer Science & Business Media, 2013.
S. K. Shukla, C. Murthy, and P. K. Chande, "A Survey of Approaches used in Parallel Architectures and Multi-core Processors, For Performance Improvement," Progress in Systems Engineering, Volume 366 of the series Advances in Intelligent Systems and Computing, pp. 537-545, 2015.
K. Fernandes, "GPU Development and Computing Experiences," Research Computing Services, University of Cambridge, 2015.
J. Traff, A. Ripke, C. Siebert, P. Balaji, R. Thakur, and W. Gropp, "A Simple, Pipelined Algorithm for Large, Irregular All-gather Problems," Lecture Notes in Computer Science, vol. 5205, pp. 84-93, 2008.
J. Park, H. Yun, and S. Moon, "Enhancing Performance Using Atomic Pipelined Message Broadcast in a Distributed Memory MPSoC," IEICE Electronics Express, vol. 11, pp. 1-7, 2014.
J. Park, "An Efficient Pipelined Broadcast Method with Monitoring Processing Node Status on a Multi-Core Processor," Doctoral Dissertation of Yonsei University, 2017.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증