上传时间:时间:2026-08-17 14:17:19
随着深度学习应用的迅猛发展,TensorCore GPU、TPU、MLU等深度学习处理器(deep learning processor,DLP)迅速兴起,并在矩阵运算中展现出优异性能。为高效处理复杂矩阵数据,这类处理器通常以固定步长将子矩阵分块加载到片上存储器,形成特定的跨步访存(strided memory access)模式。然而,英伟达H100、华为Ascend及寒武纪MLU等设备目前均依赖复杂的显式冲突管理,缺乏矩阵跨步访存冲突的硬件检测机制,致使指令执行的原子性和一致性难以保障。传统访存冲突检测方法侧重于标量运算,难以捕捉矩阵数据间的依赖冲突。针对这一现状,本文提出了一种矩阵跨步访存冲突判定方法,将冲突检测归约为二元一次不定方程求解,从而精确判断访存指令间的依赖关系。模拟实验表明,该方法显著优化了大模型典型算子的访存性能:访存带宽利用率最高分别可达94%(LPDDR存储器)与91%(HBM存储器),且与Power测试和集合相交方法相比,平均判定开销分别降至4.68%和0.31%。此外,基于12 nm工艺的硬件评估显示,比较器面积仅0.02333 mm²,功耗4.1194 mW。总体而言,该机制由复杂的显式管理转向高效硬件判定,有效提升了深度学习处理器的存储管理能力。
关键词:智能计算系统;深度学习处理器;跨步访存;访存冲突;不定方程
近年来,随着人工智能和深度学习技术的兴起,深度学习处理器(deep learning processor,DLP)以及智能计算系统已成为计算体系结构领域的重要研究方向。DLP是一种面向深度学习任务优化设计的专用硬件,区别于以标量或向量为基本数据单元的传统处理器,DLP以矩阵作为数据处理的基本粒度。其芯片配置矩阵运算单元和矩阵存储单元,专门用于直接处理矩阵数据,从而显著提升算力和能效。因此,DLP能高效执行矩阵运算、卷积等计算任务。
DLP使用矩阵访存指令存取数据,其特点为跨步访问。例如,在4×4矩阵乘法中,运算单元需分批加载4×4子矩阵到片上存储器,再将结果写回片外存储器。图1展示了1个4×8矩阵的线性存储方式,其中深色区域代表1条访存指令的操作数,这些数据分散存于多个子数据段,每段间隔固定步长。传统访存模式难以高效访问此类数据。相比之下,DLP专为跨步读取设计的访存指令能降低译码和寻址开销,有效读取分散数据,提升访存带宽,并适用于卷积、特征图存取与矩阵运算。理想情况下,矩阵访存操作应具备原子性,即操作不可分割,要么完整加载或存储整个相应的数据块,要么完全不执行,特别是在异步并发执行访存指令时,这是保证计算正确性的关键。
然而,DLP的访存控制设计仍存在一个关键性问题,即如何判定矩阵访存指令是否存在冲突,这对于DLP生态建设至关重要。早期的深度学习计算系统主要依赖高性能库进行计算任务优化,用户通常调用经过精心调优的库函数,而不直接涉及底层指令,因此无需考虑访存冲突问题。然而,随着深度学习计算朝着开放生态发展,用户可以通过智能编程语言(如寒武纪BANG C编程语言、Triton)和深度学习编译器,更直接地控制底层访存和计算行为。这种增强的灵活性在提升可编程性和优化潜力的同时,也显著增加了因访存指令参数配置不当而引发冲突的风险。
事实上,当前主流的DLP平台,包括英伟达Hopper GPU、华为Ascend昇腾处理器和寒武纪MLU思元处理器等,在硬件层面普遍缺乏对矩阵访存冲突的自动检测机制,这使得冲突规避的责任主要由开发者或上层软件栈承担。这种现状带来了显著风险:由于缺乏硬件层面的冲突判断能力,处理器在并发执行访存指令时,用户不当的参数配置以及同步设置极易引发未定义行为,包括但不限于数据竞争、数据覆盖、访存队列阻塞,不仅直接威胁计算结果的准确性,还可能通过链式传播影响计算系统稳定性。此外,不同硬件世代产品可能对冲突场景采取不同的处理策略(如覆盖冲突数据或者抛出硬件异常),导致同一程序在不同平台上的行为不一致,从而削弱程序的可移植性和深度学习计算生态的可靠性。因此,构建一个具有高效冲突检测机制的访存管理机制,为DLP访存指令明确一个清晰的编程界面,已成为DLP架构设计中的关键需求。
针对矩阵跨步访存的冲突判定,需要一种精确且高效的检测机制。传统的访存管理技术(如寄存器重命名和乱序执行)主要适用于标量访存场景,在矩阵计算中难以应对复杂的跨步访存模式。矩阵访存包含若干个地址,地址冲突结合指令的读写方向即可判断是否存在读后写(WAR)、写后读(RAW)或写后写(WAW)等数据冲突行为。集合相交法通过循环展开直接对比子矩阵元素的访存地址,虽然能够精确检测地址冲突,但其计算复杂度较高,增加了系统开销。而区间覆盖法通过将子矩阵的起始地址和结束地址视为连续区间,判断区间是否存在交集,从而检测地址冲突,该方法与Banerjee-Wolfe测试等价。然而,该方法忽略了矩阵条带之间的“空隙”,可能导致误判。因此,集合相交法和区间覆盖法在性能和精度上均存在一定局限性。
为解决上述问题,本文提出了一种基于不定方程求解的矩阵访存冲突检测方法。我们将访存冲突判定建模为二元一次不定方程是否有解的问题,精确判断访存指令是否存在冲突。实验结果表明,相较于区间覆盖法,本文方法有效避免了粗粒度检测导致的误判,访存带宽利用率显著提升。LPDDR存储器的带宽利用率平均值从72%提升至89%,HBM存储器的带宽利用率平均值从32%提升至88%,访存带宽利用率最高分别可达94%和91%。同时,与Power测试和集合相交法相比,本文方法的冲突判定延迟降低了1~2个数量级,显著提高了计算效率。同时基于12 nm工艺综合结果显示,面积仅0.02333 mm²,功耗仅4.1194 mW。
本文的主要贡献如下:
1)在DLP架构设计上实现了矩阵跨步访存的冲突判定机制,确保访存指令的原子性,避免了未定义行为带来的不可预测性;
2)提出了跨步访存冲突的形式化分析方法,将冲突判定建模为不定方程是否存在合法解,判定求解的时间复杂度大幅降低;
3)在模拟仿真平台评估方法的有效性,实验表明:相较于Banerjee–Wolfe测试,本文方法下的访存带宽利用率最高可提升至94%(LPDDR)和91%(HBM),本文方法的判定开销相较于Power测试和集合相交法,降低至4.68%和0.31%,降低了1~2个数量级。同时仅需很小的硬件开销。
本文针对DLP中关键且高频的矩阵跨步访存模式,提出了一种准确且低开销的冲突检测方法。本研究在DLP架构设计中实现了一种矩阵跨步访存冲突判定机制,确保了访存指令的原子性,防止了未定义行为导致的不可预测性。该机制将矩阵访存地址比较归结为二元一次不定方程求解,通过形式化方法实现了精确且高效的数学建模。同时该机制可有效提升DLP在多通道存储器配置下的带宽利用率。此外,考虑到开放软件生态对硬件访存管理机制的依赖性,本文提出的冲突判定机制为开发者提供了明确的访存指令编程界面,增强了DLP计算生态的可用性和可靠性。
未来工作中将探索更安全高效的指令队列预取策略,以及更适合实际场景数据范围的除法实现方案,以进一步缩短关键路径延时,进一步提升系统效率。
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