Hoofdstuk 8: Interconnect en On-Chip Netwerken in GPU-ontwerp

Naarmate het aantal cores en geheugenpartities in moderne gpu's blijft toenemen, wordt het ontwerp van het on-chip interconnectienetwerk cruciaal voor het bereiken van hoge prestaties en schaalbaarheid. De interconnect is verantwoordelijk voor het verbinden van de GPU-cores met de geheugenpartities en het mogelijk maken van efficiënte communicatie tussen hen. In dit hoofdstuk zullen we verschillende aspecten van interconnect- en on-chip netwerkontwerp voor GPU's verkennen, waaronder Network-on-Chip (NoC)-topologieën, routeringsalgoritmen, flowcontrolemechanismen, werkbelastingkarakterisering, verkeerspatronen en technieken voor het ontwerpen van schaalbare en efficiënte interconnects.

Network-on-Chip (NoC)-topologieën

Network-on-Chip (NoC) is naar voren gekomen als een veelbelovende oplossing voor het met elkaar verbinden van het toenemende aantal cores en geheugenpartities in moderne GPU's. NoC's bieden een schaalbare en modulaire communicatie-infrastructuur die efficiënt kan omgaan met de hoge bandbreedte- en lage latentievereisten van GPU-workloads. Er zijn verschillende NoC-topologieën voorgesteld en bestudeerd voor GPU-architecturen, elk met hun eigen voordelen en afwegingen.

Kruistopologie

De kruistopologie is een eenvoudig en rechtstreeks interconnectontwerp waarbij elke core rechtstreeks is verbonden met elke geheugenpartitie via een dedicated link. Figuur 8.1 illustreert een kruistopologie voor een GPU met vier cores en vier geheugenpartities.

    Core 0   Core 1   Core 2   Core 3
      |        |        |        |
      |        |        |        |
    --|--------|--------|--------|--
      |        |        |        |
      |        |        |        |
    Mem 0    Mem 1    Mem 2    Mem 3

Figuur 8.1: Kruistopologie voor een GPU met vier cores en vier geheugenpartities.

De kruistopologie biedt volledige connectiviteit tussen cores en geheugenpartities, waardoor communicatie met hoge bandbreedte mogelijk is. Het aantal verbindingen en de complexiteit van de kruisverbinding nemen echter kwadratisch toe.Hier is de Nederlandse vertaling van het bestand, waarbij de code-opmerkingen zijn vertaald:

Mesh Topologie

De mesh-topologie is een populaire keuze voor NoC-gebaseerde GPU-architecturen vanwege de schaalbaarheid en eenvoud ervan. In een mesh-topologie zijn cores en geheugenpartities in een 2D-rooster gerangschikt, waarbij elke node verbonden is met zijn naburige nodes. Figuur 8.2 toont een 4x4 mesh-topologie voor een GPU met 16 cores.

    Core 0 --- Core 1 --- Core 2 --- Core 3
      |          |          |          |
      |          |          |          |
    Core 4 --- Core 5 --- Core 6 --- Core 7
      |          |          |          |
      |          |          |          |
    Core 8 --- Core 9 --- Core 10-- Core 11
      |          |          |          |
      |          |          |          |
    Core 12-- Core 13-- Core 14-- Core 15

Figuur 8.2: 4x4 mesh-topologie voor een GPU met 16 cores.

De mesh-topologie biedt een goede schaalbaarheid, aangezien het aantal verbindingen en de complexiteit van de routers lineair groeien met het aantal nodes. De gemiddelde hop-teller en latentie nemen echter toe met de netwerkgrootte, wat de prestaties voor grotere GPU's kan beïnvloeden.

Ring Topologie

De ring-topologie verbindt cores en geheugenpartities in een circulaire configuratie, waarbij een ringvormige structuur wordt gevormd. Elke node is verbonden met zijn twee naburige nodes, één in de kloksgewij ze richting en één in de tegenkloksgewij ze richting. Figuur 8.3 illustreert een ring-topologie voor een GPU met acht cores.

      Core 0 --- Core 1
        |           |
        |           |
    Core 7         Core 2
        |           |
        |           |
      Core 6 --- Core 5
        |           |
        |           |
        Core 4 --- Core 3

Figuur 8.3: Ring-topologie voor een GPU met acht cores.

De ring-topologie is eenvoudig te implementeren en biedt een evenwichtige verdeling van het verkeer. De gemiddelde hop-teller en latentie nemen echter lineair toe met het aantal nodes, waardoor deze minder geschikt is voor grotere GPU-ontwerpen.

###Hiërarchische en hybride topologieën

Om de schaalbaarheidslimieten van individuele topologieën aan te pakken, zijn hiërarchische en hybride topologieën voorgesteld voor GPU-interconnecten. Deze topologieën combineren meerdere kleinere netwerken of verschillende topologieën om een groter, meer schaalbaar interconnect te creëren.

Bijvoorbeeld, een hiërarchische meshtopologie kan worden gemaakt door een grote mesh op te delen in kleinere sub-meshes en deze te verbinden via een hoger niveau netwerk. Deze aanpak vermindert de gemiddelde hoptelling en latentie in vergelijking met een platte meshtopologie.

Hybride topologieën, zoals een combinatie van een mesh en een ring, kunnen ook worden gebruikt om de afweging tussen schaalbaarheid en prestaties in evenwicht te brengen. De meshtopologie kan worden gebruikt voor lokale communicatie binnen een cluster van cores, terwijl de ringtopologie kan worden gebruikt voor globale communicatie tussen clusters.

Routeringsalgoritmen en flowcontrole

Routeringsalgoritmen en flowcontrolemechanismen spelen een cruciale rol bij het beheren van de datastroom door het interconnect en het zorgen voor een efficiënt gebruik van de netwerkbronnen. Ze bepalen hoe pakketten worden gerouteerd van bron naar bestemming en hoe netwerkcongestie wordt aangepakt.

Routeringsalgoritmen

Routeringsalgoritmen kunnen worden ingedeeld in twee hoofdcategorieën: deterministisch en adaptief.

Deterministisch Routeren:
- Deterministische routeringsalgoritmen kiezen altijd hetzelfde pad tussen een gegeven bron- en bestemmingspaar, onafhankelijk van de netwerkcondities.
- Voorbeelden van deterministische routeringsalgoritmen zijn dimensie-volgorde-routering (DOR) en XY-routering.
- DOR routeert pakketten eerst langs de X-dimensie en vervolgens langs de Y-dimensie in een meshtopologie.
- Deterministisch routeren is eenvoudig te implementeren en biedt een voorspelbare latentie, maar kan leiden tot een ongelijke verdeling van het verkeer en congestie.
Adaptief Routeren:
- Adaptieve routeringsalgoritmen selecteren dynamisch het pad op basis van de huidige netwerkcondities, zoals het gebruik van links of congestie.
- VoorbeeHier is de Nederlandse vertaling van het gegeven Markdown-bestand:

De voorbeelden van adaptieve routeringsalgoritmen omvatten minimaal adaptieve routing en volledig adaptieve routing.

Minimaal adaptieve routing staat pakketten toe om elk minimaal pad (kortste pad) tussen de bron en bestemming te nemen.
Volledig adaptieve routing staat pakketten toe om elk beschikbaar pad te nemen, inclusief niet-minimale paden, om overbelaste regio's te vermijden.
Adaptieve routing kan de verkeersbelasting beter in evenwicht brengen en congestie verlichten, maar vereist meer complexe hardware en kan extra latentie introduceren.

Figuur 8.4 illustreert het verschil tussen deterministische XY-routing en minimaal adaptieve routing in een maasstructuur.

    (0,0) --- (1,0) --- (2,0) --- (3,0)
      |          |          |          |
      |          |          |          |
    (0,1) --- (1,1) --- (2,1) --- (3,1)
      |          |          |          |
      |          |          |          |
    (0,2) --- (1,2) --- (2,2) --- (3,2)
      |          |          |          |
      |          |          |          |
    (0,3) --- (1,3) --- (2,3) --- (3,3)

    XY-routing:
    (0,0) -> (1,0) -> (1,1) -> (1,2) -> (1,3)

    Minimaal adaptieve routing:
    (0,0) -> (1,0) -> (2,0) -> (3,0) -> (3,1) -> (3,2) -> (3,3)
    of
    (0,0) -> (0,1) -> (0,2) -> (0,3) -> (1,3) -> (2,3) -> (3,3)

Figuur 8.4: Vergelijking van deterministische XY-routing en minimaal adaptieve routing in een maasstructuur.

Stroomregeling

Stromingsregelingsmechanismen beheren de toewijzing van netwerkbronnen, zoals buffers en verbindingen, om congestie te voorkomen en een eerlijke benutting te garanderen. Twee veel gebruikte stromingsreguleringstechnieken in GPU-interconnecties zijn creditgebaseerde stroomregeling en virtuele kanaalstroomregeling.

Creditgebaseerde stroomregeling:
- Bij creditgebaseerde stroomregeling houdt elke router een telling bij van de beschikbare bufferspaties (credits) op de downstreamrouter.
- Wanneer een router een pakket verzendt, verlaagt hij zijn credittelling. Wanneer de downstreamrouter een bufferspatie vrijmaakt, stuurt hij een credit terug naar de upstreamrouter.
- De upstreamHere is the Dutch translation of the provided markdown file, with the code comments translated:

De router kan alleen een pakket verzenden als hij voldoende krediet heeft, waardoor buffer-overflow en congestie worden voorkomen.

Virtueel Kanaal Flowcontrole:
- Virtuele kanaalbewaking maakt het mogelijk dat meerdere logische kanalen dezelfde fysieke link delen, wat zorgt voor een betere benutting van de netwerkbronnen.
- Elk virtueel kanaal heeft zijn eigen buffer en flowcontrole-mechanisme, waardoor verschillende verkeersstromen kunnen worden geïsoleerd en geprioriteerd.
- Virtuele kanalen kunnen head-of-line blokkering voorkomen, waarbij een geblokkeerd pakket bovenaan een buffer ervoor zorgt dat andere pakketten niet kunnen doorgaan.

Figuur 8.5 illustreert het concept van virtuele kanalen in een router.

    Ingangspoort 0    Ingangspoort 1    Ingangspoort 2    Ingangspoort 3
        |                |                |                |
        |                |                |                |
    VC0 VC1 VC2     VC0 VC1 VC2     VC0 VC1 VC2     VC0 VC1 VC2
        |                |                |                |
        |                |                |                |
        --------- Crossbar Switch ---------
                         |
                         |
                  Uitgangspoort 0

Figuur 8.5: Virtuele kanalen in een router.

Workload Karakterisering en Verkeerspatronen

Het begrijpen van de kenmerken van GPU-werkbelastingen en hun verkeerspatronen is essentieel voor het ontwerpen van efficiënte interconnecties. Verschillende toepassingen vertonen verschillende communicatiepatronen en hebben verschillende eisen op het gebied van bandbreedte, latentie en lokaliteit.

Workload Karakterisering

GPU-werkbelastingen kunnen worden gekarakteriseerd op basis van verschillende factoren, zoals:

Rekenintensiteit:
- Rekenintensieve werkbelastingen hebben een hoge verhouding tussen berekeningen en geheugenadressering.
- Deze werkbelastingen hebben typisch hoge bandbreedte-communicatie nodig tussen cores en geheugenpartities om de rekenunits van gegevens te voorzien.
Geheugenadresseringspatronen:
- Sommige werkbelastingen vertonen regelmatige geheugenadresseringspatronen, zoals sequentiële of gestuurde toegangen,Hier is de Nederlandse vertaling van de gegeven Markdown-bestand, waarbij de code niet vertaald is, maar alleen de opmerkingen:

Terwijl anderen onregelmatige of willekeurige toegangspatronen hebben.

Regelmatige toegangspatronen kunnen profiteren van technieken zoals geheugensamenvoeging en voorhalen, terwijl onregelmatige patronen geavanceerdere geheugenbeheertechnieken vereisen.

Datadeling en synchronisatie:
- Workloads met hoge datadelings- en synchronisatie-eisen, zoals grafiekalgoritmen of fysische simulaties, kunnen aanzienlijke communicatieverkeer tussen kernen genereren.
- Efficiënte ondersteuning voor synchronisatiemechanismen, zoals barrières en atomaire bewerkingen, is cruciaal voor deze werkbelastingen.
Lokaliteit:
- Workloads met een hoge ruimtelijke en temporele lokaliteit kunnen profiteren van caching en hergebruik van gegevens.
- Het benutten van lokaliteit kan de hoeveelheid verkeer op de interconnect verminderen en de algehele prestaties verbeteren.

Verkeerspatronen

Verschillende GPU-workloads vertonen verschillende verkeerspatronen op basis van hun communicatie-eisen. Enkele veel voorkomende verkeerspatronen zijn:

Uniform willekeurig verkeer:
- Bij uniform willekeurig verkeer stuurt elke node pakketten naar willekeurig geselecteerde bestemmingen met gelijke kans.
- Dit verkeerspatroon vertegenwoordigt een worst-case scenario en wordt vaak gebruikt voor stresstest van de interconnect.
Dichtstbijzijnde buurverkeer:
- Bij dichtstbijzijnde buurverkeer communiceren nodes voornamelijk met hun directe buren in het netwerk.
- Dit verkeerspatroon is gebruikelijk in toepassingen met een sterke ruimtelijke lokaliteit, zoals stencilberekeningen of beeldverwerking.
Hotspotverkeer:
- Bij hotspotverkeer ontvangen een klein aantal nodes (hotspots) een onevenredig grote hoeveelheid verkeer in vergelijking met andere nodes.
- Hotspotverkeer kan voorkomen in toepassingen met gedeelde gegevensstructuren of gecentraliseerde besturingsmechanismen.
Alle-naar-alle verkeer:
- Bij alle-naar-alle verkeer stuurt elke node pakketten naar alle andere nodes in het netwerk.
- Dit verkeerspatroon is gebruikelijk bij collectieve communicatie-operaties, zoals matrixtransponering of FFT.

Figuur 8.6 illustrNederlandse vertaling:

    Uniform willekeurig verkeer:
    (0,0) -> (2,3)
    (1,1) -> (3,2)
    (2,2) -> (0,1)
    ...

    Dichtst-bij-buur verkeer:
    (0,0) -> (0,1), (1,0)
    (1,1) -> (0,1), (1,0), (1,2), (2,1)
    (2,2) -> (1,2), (2,1), (2,3), (3,2)
    ...

Hotspot verkeer: (0,0) -> (1,1) (1,0) -> (1,1) (2,0) -> (1,1) ...

Alle-naar-alle verkeer: (0,0) -> (1,0), (2,0), (3,0), (0,1), (1,1), (2,1), (3,1), ... (1,0) -> (0,0), (2,0), (3,0), (0,1), (1,1), (2,1), (3,1), ... (2,0) -> (0,0), (1,0), (3,0), (0,1), (1,1), (2,1), (3,1), ... ...

Figuur 8.6: Voorbeelden van verschillende verkeerspatronen in een mash-topologie.

Het begrijpen van de verkeerspatronen die door GPU-werklasten worden vertoond, is cruciaal voor het ontwerpen van efficiënte interconnecties. Profileringshulpmiddelen en simulatiekaders kunnen worden gebruikt om de communicatiepatronen van representatieve werklasten te karakteriseren en het ontwerp van de interconnecttopologie, routeringsalgoritmen en flowcontrolemechanismen te leiden.

## Het ontwerpen van schaalbare en efficiënte interconnecties

Het ontwerpen van schaalbare en efficiënte interconnecties voor GPU's vereist zorgvuldige overweging van verschillende factoren, zoals het aantal cores en geheugenpartities, de verwachte verkeerspatronen en de beperkingen op het gebied van vermogen en oppervlakte. Enkele belangrijke ontwerpprincipes en -technieken voor het bouwen van high-performance GPU-interconnecties zijn:

1. **Topologieselectie**: Het kiezen van een geschikte interconnecttopologie op basis van de schaalbaarheideisen, de verwachte verkeerspatronen en de ontwerpbeperkingen. Mesh- en kruisverbindingstopologieën worden vaak gebruikt in GPU's, maar hiërarchische en hybride topologieën kunnen worden gebruikt voor grootschaliger ontwerpen.

2. **Ontwerp van routeringsalgoritmen**: Het ontwikkelen van routeringsalgoritmen die de verwachte verkeerspatronen efficiënt kunnen afhandelen en daarbij congestie en latentie minimaliseren. Adaptieve routeringsalgoritmen die dynamisch kunnen inspelen op netwerkcondities, worden vaak gebruikt in GPU's om de prestaties per applicatie te verbeteren.Hier is de Nederlandse vertaling voor het bestand:

3. **Optimalisatie van de Stroombesturing**: Het optimaliseren van de stroombesturingsmechanismen om de netwerkbenutting te maximaliseren en de buffereisen te minimaliseren. Technieken zoals virtuele kanaalsheersing en kredietgebaseerde stroombesturing kunnen helpen de netwerkefficiëntie te verbeteren en deadlocks te voorkomen.

4. **Bandbreedte Provisioning**: Het garanderen van voldoende bandbreedte tussen cores en geheugenpartities om te voldoen aan de prestatievereisten van de doelwerklasten. Dit kan inhouden dat het aantal geheugenkanalen wordt verhoogd, dat hoogwaardige geheugentechnologieën worden gebruikt of dat geavanceerde signaleringstechnieken worden toegepast.

5. **Optimalisatie van Vermogen en Oppervlakte**: Het minimaliseren van het energieverbruik en de oppervlakteoverhead van de interconnect door middel van technieken zoals stroomuitschakeling, klokuitschakeling en laagspannende signalering. Zorgvuldige fysieke ontwerp- en layout-optimalisatie kunnen ook helpen de gebied- en energieimpact van de interconnect te verminderen.

6. **Betrouwbaarheid en Foutbestendigheid**: Het opnemen van betrouwbaarheids- en foutbestendigheidskenmerken in het interconnectontwerp om de juiste werking te garanderen in geval van storingen of fouten. Dit kan technieken omvatten zoals foutendetectie en -correctie, redundantie en adaptieve routing.

Voorbeeld: Het ontwerpen van een hiërarchische maasinterconnect voor een grootschalige GPU

Overweeg een GPU met 128 cores en 16 geheugenpartities. Een vlakke maasinterconnect zou een 12x12 mesh (144 knopen) vereisen, wat te groot en energieverbruikend kan zijn. In plaats daarvan kan een hiërarchische maasinterconnect als volgt worden ontworpen:

- Verdeel de 128 cores in 16 clusters, elk met 8 cores.
- Gebruik binnen elk cluster een 8x8 mesh om de cores en een lokale geheugenpartitie met elkaar te verbinden.
- Verbind de 16 clusters met behulp van een 4x4 globale mesh.

Dit hiërarchische ontwerp vermindert de algehele complexiteit en het energieverbruik van de interconnect, terwijl het nog steeds een hoge bandbreedte en schaalbaarheid biedt. De lokale mashes behandelen de intra-cluster communicatie efficiënt, terwijl de globale mesh de inter-cluster communicatie mogelijk maakt.Toegang tot externe geheugenpartities.

Figuur 8.7 illustreert het hiërarchische mesh-interconnect ontwerp.

Globaal Mesh (4x4)

Figuur 8.7: Hiërarchisch mesh-interconnect ontwerp voor een grootschalige GPU.

## Conclusie

Interconnect en on-chip netwerken spelen een cruciale rol in de prestaties, schaalbaarheid en efficiëntie van moderne GPU's. Naarmate het aantal cores en geheugenpartities blijft groeien, moet het interconnect hoge bandbreedte, lage latentie en efficiënte communicatie tussen deze componenten bieden.

Belangrijke aspecten van GPU interconnect ontwerp omvatten de keuze van fijnHier is de Nederlandse vertaling van het bestand:

Ontwerp van GPU-interconnecten: topologie, routeringsalgoritmen, flowcontrolemechanismen en werkbelastingkarakterisering. Mesh- en kruispatroon-topologieën worden vaak gebruikt in GPU's, maar hiërarchische en hybride topologieën kunnen worden toegepast voor ontwerpen op grotere schaal. Adaptieve routeringsalgoritmen en geavanceerde flowcontroletechnieken kunnen helpen de netwerktransmissie en efficiëntie te verbeteren.

Het ontwerpen van schaalbare en efficiënte interconnecten vereist zorgvuldige overweging van factoren zoals bandbreedte, vermogen- en oppervlakoptimalisatie en betrouwbaarheid. Technieken zoals hiërarchisch ontwerp, stroomregeling en foutentoleratie kunnen helpen deze uitdagingen aan te pakken.

Naarmate GPU-architecturen blijven evolueren en de eisen van parallelle werkbelastingen toenemen, zal het ontwerp van interconnecten en on-chip netwerken een actief onderzoeks- en innovatiegebied blijven. Nieuwe topologieën, routeringsalgoritmen en energiezuinige ontwerpen zullen essentieel zijn voor het mogelijk maken van de volgende generatie high-performance, energiezuinige GPU's.

Chapter 7 Streaming Multiprocessor Design Chapter 9 Power Energy and Thermal Management