Hardware acceleration of horizontal diffusion stencil
Loading...
Files
Date
2025-07-04
Authors
Κρίκης, Αθανάσιος
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Η προσομοίωση ατμοσφαιρικών φαινομένων αποτελεί θεμελιώδη διαδικασία για την κλιματολογία και την πρόγνωση του καιρού. Στα αριθμητικά μοντέλα που υποστηρίζουν τις προσομοιώσεις αυτές, ο υπολογισμός της οριζόντιας διάχυσης είναι ουσιώδης για την αριθμητική σταθερότητα και τον ρεαλισμό των αποτελεσμάτων. Η υλοποίηση της διαδικασίας αυτής είναι υπολογιστικά έντονη, κυρίως λόγω περιορισμών από τη προσπέλαση της μνήμης (memory-bound) και των μη-γραμμικών προτύπων προσπέλασης δεδομένων. Η παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζει την επιτάχυνση της οριζόντιας διάχυσης σε υλικό, εστιάζοντας στην ανάπτυξη και αξιολόγηση αρχιτεκτονικών για υπολογισμούς στένσιλ σε Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs).
Κύριος στόχος της εργασίας είναι η διερεύνηση της απόδοσης και της καταλληλότητας των FPGAs για την επιτάχυνση του συγκεκριμένου υπολογισμού, όπως αυτός εφαρμόζεται σε κλιματικά μοντέλα (π.χ.COSMO). Αρχικά, αναλύεται η μαθηματική διατύπωση του προβλήματος και μετασχηματίζεται σε έναν υπολογισμό στένσιλ. Στη συνέχεια, σχεδιάζονται και υλοποιούνται τρεις διακριτές αρχιτεκτονικές στρατηγικές: μια τμηματοποιημένη δύο σταδίων, μια τμηματοποιημένη τριών σταδίων και μια ενοποιημένη ενός σταδίου. Κάθε αρχιτεκτονική σχεδιάστηκε με στόχο τη βελτιστοποίηση της ροής δεδομένων και την ελαχιστοποίηση των απαιτήσεων σε ενσωματωμένη μνήμη (on-chip), αξιοποιώντας τεχνικές μη-ομοιόμορφης κατάτμησης μνήμης και προσεγγίσεις ροής δεδομένων (dataflow).
Προς περαιτέρω βελτίωση της απόδοσης, αναπτύχθηκε μια χωρικά παράλληλη και παραμετρική αρχιτεκτονική, η οποία επιτρέπει την ταυτόχρονη επεξεργασία πολλαπλών στοιχείων και τη διερεύνηση της σχέσης μεταξύ βαθμού παραλληλισμού, χρήσης πόρων και λανθάνοντος χρόνου. Στο πλαίσιο αυτό, πραγματοποιείται συγκριτική ανάλυση μεταξύ αναπαραστάσεων σταθερής (Fixed-Point) και κινητής υποδιαστολής (Floating-Point). Διερευνάται συστηματικά η επίδραση του εύρους bit (bit-width) των αριθμών σταθερής υποδιαστολής στην κατανάλωση πόρων και στο αριθμητικό σφάλμα για όλες τις παραγώμενες αρχιτεκτονικές. Τέλος, για τη μείωση της καταναλωμένης μνήμης, εισάγεται και αξιολογείται μια τεχνική κανονικοποίησης των δεδομένων εισόδου, η οποία βελτιώνει την αποδοτικότητα των υλοποιήσεων σταθερής υποδιαστολής.
Οι προτεινόμενες αρχιτεκτονικές υλοποιήθηκαν και αξιολογήθηκαν σε ποικιλία πλατφορμών υλικού, όπως οι AMD Alveo U280, Zynq UltraScale+ MPSoC ZCU104 και Zynq-7000 SoC ZC702. Η σύνθεση και βελτιστοποίηση των σχεδίων έγινε με χρήση High-Level Synthesis (HLS) και της σουίτας εργαλείων Vitis HLS. Για την αξιολόγηση χρησιμοποιήθηκε το σύνολο δεδομένων ERA5-Land, το οποίο παρέχει τις κατάλληλες μετρήσεις διασφαλίζοντας τη συνάφεια των πειραματικών αποτελεσμάτων.
Η παρούσα διπλωματική εργασία αξιολογεί ποικίλες αρχιτεκτονικές στρατηγικές ως προς την απόδοσή τους σε διαφορετικές πλατφόρμες υλικού. Τα ευρήματα δείχνουν ότι μια αρχιτεκτονική σταθερής υποδιαστολής (fixed-point) επιτυγχάνει ισορροπία μεταξύ της υπολογιστικής απόδοσης και της κατανάλωσης πόρων, και συνεπώς αποτελεί μια βιώσιμη προσέγγιση για την επίτευξη επιτάχυνσης σε FPGAs. Η ανάλυση μεταξύ των πλατφορμών επιβεβαιώνει την επεκτασιμότητα των προτεινόμενων αρχιτεκτονικών και παρέχει κριτήρια για την επιλογή της βέλτιστης υλοποίησης, βάσει των απαιτήσεων της εκάστοτε εφαρμογής. Τέλος, η διπλωματική εργασία παρουσιάζει ένα παραμετρικό και αυτοματοποιημένο τρόπο για τη δημιουργία χωρικά παράλληλων επιταχυντών στένσιλ, το οποίο μπορεί να υποστηρίξει τη μελλοντική έρευνα και ανάπτυξη στον τομέα.
Description
Keywords
Horizontal diffusion, Hardware acceleration, High-level synthesis, Spatial parallelism