Use este identificador para citar ou linkar para este item:
https://repositorio.ufms.br/handle/123456789/11109
Tipo: | Tese |
Título: | Approximate Computing: Contributions to the Design of Arithmetic Circuits and Instruction-Set Architectures |
Autor(es): | Daniela Luiza Catelan |
Primeiro orientador: | Ricardo Ribeiro dos Santos |
Resumo: | O crescimento da demanda por poder computacional, aliado às limitações do fim da escala de Dennard, desafiou os projetistas a encontrar soluções alternativas para manter o desempenho dentro dos limites de energia e custo. A computação aproximada (CA) emerge como uma abordagem promissora para equilibrar desempenho e eficiência energética em aplicações que toleram erros. No entanto, muitas técnicas de CA focam em problemas específicos ou exigem muita intervenção do programador. Este trabalho identificou lacunas que foram transformadas em oportunidades de pesquisa. Uma delas está relacionada aos circuitos aritméticos aproximados, que focam em operações de um único bit, limitando a análise do comportamento fisico, da precisão e do desempenho desses circuitos em plataformas reais com entradas e saídas maiores. Há também limitações na técnica de perfuração de loops, visto que uma vez que o grau de perfuração (pd) é estabelecido, as métricas do aplicativo melhorarão apenas ao custo da precisão. Ao adotar uma estratégia em que o pd possa usar recursos de hardware aproximado, esta limitação seria mitigada, além de obter uma maior flexibilidade sem forçar nenhuma etapa de compilação adicional. Há pouca exploração sobre o uso de instruções aproximadas, especialmente no contexto de operações de ponto flutuante, deixando uma lacuna de implementação, que poder ser resolvida com a introdução de um nível adicional de aproximação, substituindo instruções precisas (não aproximadas) por instruções aproximadas, oferecendo desta forma, uma técnica aproximada de nível de hardware sobre um código-fonte que já é (ou não) aproximado por uma técnica de nível de software. Desta forma, este trabalho tem por objetivo a exploração do espaço de projeto (DSE) em diferentes níveis de abstração, investigando o impacto da CA em circuitos aritméticos aproximados, instruções aproximadas e técnicas de perfuração de loops e de funções matemáticas aproximadas. Além disso, são projetadas extensões do conjunto de instruções da arquitetura RISC-V com suporte à CA. A integração de técnicas de CA foi realizada em plataformas amplamente utilizadas, como SPIKE e ACCEPT, para proporcionar uma infraestrutura flexível e eficiente no desenvolvimento de sistemas aproximados. Os resultados demonstram que a CA pode melhorar significativamente o desempenho e a eficiência energética, sem comprometer substancialmente a precisão dos sistemas. Este trabalho contribui com novas instruções aproximadas, circuitos aritméticos e um modelo energético para instruções aproximadas, além de explorar a viabilidade dessas técnicas em funções matemáticas e estruturas de controle (loop) em aplicações que exigem alto desempenho, mas que toleram erros controlados. |
Abstract: | The growing demand for computing power, coupled with the limitations of the end of the Dennard scale, has challenged designers to find alternative solutions to maintain performance within energy and cost limits. Approximate computing (AC) has emerged as a promising approach to balance performance and energy efficiency in error-tolerant applications. However, many AC techniques focus on specific problems or require much intervention from the programmer. This work identified gaps that were transformed into research opportunities. One is related to approximate arithmetic circuits, which focus on single-bit operations, limiting the analysis of these circuits' physical behavior, accuracy, and performance on real platforms with larger inputs and outputs. There are also limitations in the loop perforation technique since once the perforation degree (pd) is established, the application metrics will improve only at the cost of accuracy. Adopting a strategy in which pd can use approximate hardware resources would overcome this limitation, and greater flexibility would be obtained without forcing additional compilation steps. There is little exploration of the use of approximate instructions, especially in the context of floating point operations, leaving an implementation gap that can be solved by introducing an additional level of approximation, replacing precise (non-approximate) instructions with approximate instructions, thus offering a hardware-level approximate technique over a source code that is already (or not) approximated by a software-level technique. Thus, this work aims at design space exploration (DSE) at different levels of abstraction, investigating the impact of AC on approximate arithmetic circuits, approximate instructions, loop perforation techniques, and approximate mathematical functions. In addition, extensions of the RISC-V architecture instruction set with support for AC are designed. AC techniques were integrated into a widely used platforms, such as SPIKE and ACCEPT, to provide a flexible and efficient infrastructure for developing of approximate systems. The results demonstrate that AC can significantly improve performance and energy efficiency without substantially compromising the accuracy of the systems. This work contributes to new approximate instructions, arithmetic circuits, and an energy model for approximate instructions. It explores the feasibility of these techniques in mathematical functions and control structures (loop) in applications that demand high performance but tolerate controlled errors. |
Palavras-chave: | Approximate Computing: Contributions to the Design of Arithmetic Circuits and Instruction-Set Architectures |
País: | Brasil |
Editor: | Fundação Universidade Federal de Mato Grosso do Sul |
Sigla da Instituição: | UFMS |
Tipo de acesso: | Acesso Aberto |
URI: | https://repositorio.ufms.br/handle/123456789/11109 |
Data do documento: | 2024 |
Aparece nas coleções: | Programa de Pós-graduação em Ciência da Computação |
Arquivos associados a este item:
Arquivo | Tamanho | Formato | |
---|---|---|---|
TESE_DOUT_DANIELA_final.pdf | 3,29 MB | Adobe PDF | Visualizar/Abrir |
Os itens no repositório estão protegidos por copyright, com todos os direitos reservados, salvo quando é indicado o contrário.