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TensorCache: Reconstructing Memory Architecture With SRAM-Based In-Cache Computing for Efficient Tensor Computations in GPGPUs

计算机科学 并行计算 隐藏物 内存处理 静态随机存取存储器 加速 CPU缓存 计算机体系结构 计算机硬件 搜索引擎 情报检索 Web搜索查询 按示例查询
作者
Yicong Zhang,Mingyu Wang,Yangzhan Mai,Zhiyi Yu
出处
期刊:IEEE Transactions on Very Large Scale Integration Systems [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:31 (12): 2030-2043 被引量:8
标识
DOI:10.1109/tvlsi.2023.3326741
摘要

General purpose graphics processing units (GPGPUs) have emerged as a convincing and pivotal computing platform for deep learning applications. However, the fundamental tensor computations for neural networks on GPGPUs are still restricted by the von Neumann bottleneck. The memory bandwidth and energy consumption of moving a large amount of neural network data between the memory hierarchy and computational units of GPGPUs dominate the overall computational cost. To address these challenges, this article proposes TensorCache to reconstruct memory architecture with static random-access memory (SRAM)-based In-Cache Computing for efficient tensor computations in GPGPUs. It provides an innovative digital SRAM processing-in-memory (PIM) solution by transforming the cache array into large-scale PIM units, effectively mitigating the significant performance and energy consumption losses caused by data movement. To enable efficient hardware-software co-design for TensorCache, a decoupled architecture-based SRAM-PIM macro (SPM) is introduced at the hardware level, supporting in-memory bit-parallel comparison (IMBC) and near-memory radix-4 booth encoder (NRBE) for efficient mixed-precision floating-point (FP) tensor computations. At the software level, a programming model leveraging the GPGPU’s flexible programmability is proposed to bridge the gap between application demands and mismatched hardware/software interfaces. Experimental evaluations demonstrate that TensorCache achieves up to $38.59\times $ speedup and $16.26\times $ throughput enhancement compared to GPU CUDA Cores. Furthermore, it attains an acceleration of up to $1.78\times $ and $3.87\times $ throughput improvement compared to GPU Tensor Cores, while saving power consumption in tensor computations by over 90% with a mere 21% chip area overhead.
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