Demystifying the Soft and Hardened Memory Systems of Modern FPGAs for Software Programmers through Microbenchmarking
Notice bibliographique
Résumé
Both modern datacenter and embedded Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) provide great opportunities for high-performance and high-energy-efficiency computing. With the growing public availability of FPGAs from major cloud service providers such as AWS, Alibaba, and Nimbix, as well as uniform hardware accelerator development tools (such as Xilinx Vitis and Intel oneAPI) for software programmers, hardware and software developers can now easily access FPGA platforms. However, it is nontrivial to develop efficient FPGA accelerators, especially for software programmers who use high-level synthesis (HLS). The major goal of this article is to figure out how to efficiently access the memory system of modern datacenter and embedded FPGAs in HLS-based accelerator designs. This is especially important for memory-bound applications; for example, a naive accelerator design only utilizes less than 5% of the available off-chip memory bandwidth. To achieve our goal, we first identify a comprehensive set of factors that affect the memory bandwidth, including (1) the clock frequency of the accelerator design, (2) the number of concurrent memory access ports, (3) the data width of each port, (4) the maximum burst access length for each port, and (5) the size of consecutive data accesses. Then, we carefully design a set of HLS-based microbenchmarks to quantitatively evaluate the performance of the memory systems of datacenter FPGAs (Xilinx Alveo U200 and U280) and embedded FPGA (Xilinx ZCU104) when changing those affecting factors, and we provide insights into efficient memory access in HLS-based accelerator designs. Comparing between the typically used soft and hardened memory systems, respectively, found on datacenter and embedded FPGAs, we further summarize their unique features and discuss the effective approaches to leverage these systems. To demonstrate the usefulness of our insights, we also conduct two case studies to accelerate the widely used K-nearest neighbors (KNN) and sparse matrix-vector multiplication (SpMV) algorithms on datacenter FPGAs with a soft (and thus more flexible) memory system. Compared to the baseline designs, optimized designs leveraging our insights achieve about \( 3.5\times \) and \( 8.5\times \) speedups for the KNN and SpMV accelerators. Our final optimized KNN and SpMV designs on a Xilinx Alveo U200 FPGA fully utilize its off-chip memory bandwidth, and achieve about \( 5.6\times \) and \( 3.4\times \) speedups over the 24-core CPU implementations.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,000 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,000 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,001 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».