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2014 年度 実施状況報告書

メモリウォール問題を突破するバンド幅圧縮ハードウェア基盤技術の創出

研究課題

研究課題/領域番号 26540017
研究機関東北大学

研究代表者

佐野 健太郎  東北大学, 大学院・情報科学研究科, 准教授 (00323048)

研究期間 (年度) 2014-04-01 – 2017-03-31
キーワードバンド幅圧縮 / ハードウェア / 高性能計算 / リコンフィギャラブル / FPGA
研究実績の概要

本年度では、偏微分方程式を解く計算問題をリコンフィギャラブル高性能計算の対象と位置付け、その中でも特に浮動小数点データによる数値流体力学計算に関して研究を実施した。まず、流体計算の中間データについてその空間的連続性を評価したところ、小さな誤差のみで局所的に1~3次の多項式近似が可能であることが分かった。この知見に基づき、多項式による予測に基づいた圧縮アルゴリズムと符号化方式を、ハードウェア化を念頭に置きながら設計した。
次に、少ないハードウェアリソースでの実装と高スループット処理を実現するために、多項式予測計算の整数化と圧縮データの固定長変換回路の単純化を提案し、これらの方式に対する圧縮率の評価を行った。その結果、工夫を行う前の性能と殆ど変らない圧縮が可能であり、単精度浮動小数点データの場合には3分の1から4分の1程度のバンド幅圧縮が期待できることが明らかとなった。
さらに、圧縮ハードウェアの要求仕様検討と基本設計を行った。対象とする問題では複数の変数を使用してそれらを更新する計算を進めることから、独立した複数のデータストリームを圧縮し、それを単一の送信路に符号化する必要がある。このための符号化方式とハードウェアの基本設計を行い、回路面積と動作周波数を評価した。圧縮率に応じて細かく符号化長を変える初期設計では回路面積が大きくなったため、改良案として符号化長を幾つかに限定する方式を提案した。改良版のハードウェア設計とFPGAへの配置配線を行ったところ、初期設計と比べて回路面積は半分以下となり、また150MHz程度の動作周波数を実現することが確認できた。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

初年度に計画していた研究内容を実施できたことに加え、バンド幅圧縮基本ハードウェアに関して所望の回路面積および動作周波数を実現できた。対象する計算問題については3倍を超えるバンド幅拡張が期待できるような結果が得られており、以上のことから、本研究は概ね順調に進展しているといえる。

今後の研究の推進方策

初年度ではバンド幅圧縮方式およびその基本ハードウェア設計をほぼ完了できたため、今後は、その実用問題への適用と評価を行うべく研究を進める。様々なパラメータを持たせた圧縮ハードウェアを自動生成するようなスクリプトプログラムを開発する他、メモリやネットワークインターフェースと組み合わせて利用可能となるようにFPGA上の組込みシステムへの導入を図る。その後は、流体計算や他の計算問題のハードウェアアクセラレータについて提案ハードウェアを適用し、その性能を評価する予定である。また、性能向上のみならずメモリアクセスの減少による外部メモリの消費電力抑制効果をも評価し、低電力高性能計算に対する本手法の有用性を確認する予定である。

次年度使用額が生じた理由

初年度では成果発表や大規模ハードウェア実装をまだ行っておらず、これらのために計上した費用を当該年度で使用しなかった。

次年度使用額の使用計画

次年度では、初年度に基本設計を行ったバンド幅圧縮ハードウェアの実装や性能評価を計画しており、そのための物品費として予算を使用する。また、それらの成果発表やさらなる調査を行うための旅費としても使用する計画である。

  • 研究成果

    (17件)

すべて 2015 2014

すべて 雑誌論文 (9件) (うち査読あり 5件、 謝辞記載あり 8件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (8件) (うち招待講演 1件)

  • [雑誌論文] Stream Computation of Shallow Water Equation Solver for FPGA-based 1D Tsunami Simulation2015

    • 著者名/発表者名
      Kentaro Sano, Fumiya Kono, Naohito Nakasato, Alexander Vazhenin, and Stanislav Sedukhin
    • 雑誌名

      ACM SIGARCH Computer Architecture News

      巻: 印刷中 ページ: 印刷中

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] 予測残差長の偏りを利用した小面積帯域圧縮ハードウェアの提案2015

    • 著者名/発表者名
      上野知洋, 伊藤涼, 佐野健太郎, 山本悟
    • 雑誌名

      電子情報通信学会リコンフィギャラブルシステム研究会 信学技法

      巻: 114(426) ページ: 73-78

    • 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] ビルディングキューブ法に基づく流体専用計算機のキューブ間データ交換に関する一考察2015

    • 著者名/発表者名
      上野友也, 上野知洋, 佐野健太郎, 山本悟
    • 雑誌名

      電子情報通信学会リコンフィギャラブルシステム研究会 信学技法

      巻: 114(426) ページ: 79-84

    • 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Area Efficient Memory Bandwidth Compressor for Stream Computation on FPGAs2015

    • 著者名/発表者名
      Tomohiro Ueno, Kentaro Sano, and Satoru Yamamoto
    • 雑誌名

      Proceeding of IEEE Symposium on Low-Power and High-Speed Chips (COOL Chips XVIII)

      巻: - ページ: poster 21 (p.1)

  • [雑誌論文] ACM SIGARCH Computer Architecture News2014

    • 著者名/発表者名
      Kentaro Sano, Ryotaro Chiba, Tomoya Ueno, Hayato Suzuki, Ryo Ito, and Satoru Yamamoto
    • 雑誌名

      Proceedings of the International Symposium on Highly-Efficient Accelerators and Reconfigurable Technologies (HEART)

      巻: 42(4) ページ: 45-50

    • DOI

      10.1145/2693714.2693723

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Bandwidth Compression of Multiple Numerical DataStreams for High Performance Custom Computing2014

    • 著者名/発表者名
      Tomohiro Ueno, Ryo Ito, Kentaro Sano, and Satoru Yamamoto
    • 雑誌名

      Proceedings of the International Conference on Application-specific Systems, Architectures and Processors (ASAP)

      巻: - ページ: 190-191

    • DOI

      10.1109/ASAP.2014.6868660

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Stream Processor Generator for HPC to Embedded Applications on FPGA-based System Platform2014

    • 著者名/発表者名
      Kentaro Sano, Hayato Suzuki, Ryo Ito, Tomohiro Ueno, and Satoru Yamamoto
    • 雑誌名

      Proceedings of the First International Workshop on FPGAs for Software Programmers (FSP 2014)

      巻: - ページ: 43-48

    • DOI

      arXiv:1408.5386

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] FPGA-based Custom Computing Accelerator for Computational Fluid Dynamics based on Lattice Boltzmann Method2014

    • 著者名/発表者名
      Kentaro Sano
    • 雑誌名

      Proceedings of the Joint Workshop on Sustained Simulation Performance (WSSP2014)

      巻: - ページ: 187-201

    • DOI

      10.1007/978-3-319-10626-7_16

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] ストリームプロセッサ自動生成コンパイラの開発と格子ボルツマン法専用計算コアへの適用2014

    • 著者名/発表者名
      伊藤涼, 鈴木隼人, 上野知洋, 佐野健太郎, 山本悟
    • 雑誌名

      第28回数値流体力学シンポジウム講演論文集

      巻: - ページ: E07-1(4 pages)

    • 謝辞記載あり
  • [学会発表] Stream Computation of Shallow Water Equation Solver for FPGA-based 1D Tsunami Simulation2015

    • 著者名/発表者名
      Kentaro Sano
    • 学会等名
      International Symposium on Highly-Efficient Accelerators and Reconfigurable Technologies (HEART)
    • 発表場所
      米国ボストン市ボストン大学
    • 年月日
      2015-06-01
  • [学会発表] Area Efficient Memory Bandwidth Compressor for Stream Computation on FPGAs2015

    • 著者名/発表者名
      Tomohiro Ueno
    • 学会等名
      IEEE Symposium on Low-Power and High-Speed Chips (COOL Chips XVIII)
    • 発表場所
      横浜情報文化センター
    • 年月日
      2015-04-14
  • [学会発表] カスタムコンピューティングによる新しい高性能・高効率計算パラダイムの確立を目指して2015

    • 著者名/発表者名
      佐野 健太郎
    • 学会等名
      広島市立大学主催・IEEE広島支部共催講演会
    • 発表場所
      広島市立大学 サテライトキャンパス
    • 年月日
      2015-03-20
    • 招待講演
  • [学会発表] 予測残差長の偏りを利用した小面積帯域圧縮ハードウェアの提案2015

    • 著者名/発表者名
      上野 知洋
    • 学会等名
      電子情報通信学会リコンフィギャラブルシステム研究会
    • 発表場所
      慶應義塾大学日吉キャンパス
    • 年月日
      2015-01-29
  • [学会発表] ビルディングキューブ法に基づく流体専用計算機のキューブ間データ交換に関する一考察2015

    • 著者名/発表者名
      上野 友也
    • 学会等名
      電子情報通信学会リコンフィギャラブルシステム研究会
    • 発表場所
      慶應義塾大学日吉キャンパス
    • 年月日
      2015-01-29
  • [学会発表] ストリームプロセッサ自動生成コンパイラの開発と格子ボルツマン法専用計算コアへの適用2014

    • 著者名/発表者名
      伊藤 涼
    • 学会等名
      第28回数値流体力学シンポジウム
    • 発表場所
      東京都船越タワーホール船堀
    • 年月日
      2014-12-10
  • [学会発表] Bandwidth Compression of Multiple Numerical DataStreams for High Performance Custom Computing2014

    • 著者名/発表者名
      Tomohiro Ueno
    • 学会等名
      International Conference on Application-specific Systems, Architectures and Processors (ASAP)
    • 発表場所
      スイスチューリッヒIBM研究所
    • 年月日
      2014-06-19
  • [学会発表] FPGA-based Custom Computing Architecture for Large-Scale Fluid Simulation with Building Cube Method2014

    • 著者名/発表者名
      Kentaro Sano
    • 学会等名
      International Symposium on Highly-Efficient Accelerators and Reconfigurable Technologies (HEART)
    • 発表場所
      東北大学片平キャンパス
    • 年月日
      2014-06-09

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公開日: 2016-05-27   更新日: 2023-03-16  

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