Skalierung latenzempfindlicher HPC-Anwendungen auf bis zu 48 FPGAs durch optimierte Kommunikation mit ACCL

Core Concepts

Die Verfügbarkeit von Kommunikationsrahmenwerken zwischen FPGAs sowie die Konfigurierbarkeit von Rahmenwerk und Netzwerkstack sind entscheidend, um die beste Anwendungsleistung mit geringer Latenz zu erzielen.

Abstract

Die Studie untersucht den Leistungsaustausch zwischen der Kommunikationsleistung und dem Ressourcenverbrauch für die Kommunikationsinfrastruktur auf FPGAs. Zunächst werden synthetische Benchmarks verwendet, um die verschiedenen Konfigurationsoptionen des ACCL-Kommunikationsrahmenwerks und deren Auswirkungen auf Kommunikationslatenz und -durchsatz zu bewerten. Schließlich wird eine skalierbare Flachwassersimulation implementiert, deren Leistung stark von der Kommunikationslatenz abhängt. Mit einer geeigneten ACCL-Konfiguration kann gutes Skalierungsverhalten auf alle 48 FPGAs des Systems gezeigt werden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Verfügbarkeit von Kommunikationsrahmenwerken zwischen FPGAs sowie die Konfigurierbarkeit von Rahmenwerk und Netzwerkstack entscheidend sind, um die beste Anwendungsleistung mit geringer Latenz zu erzielen.

Stats

Die Verwendung des TCP-Netzwerkstacks führt zu einem deutlich höheren Ressourcenverbrauch im Vergleich zum UDP-Stack.
Die Latenz für den Puffer-basierten Kommunikationsansatz wird hauptsächlich durch die Latenz der Kernelaufrufe begrenzt, während der direkt vom PL aus gesteuerte Streaming-Ansatz Latenzen unter 3 µs erreicht.
Die Verwendung des Ethernet-Switches fügt etwa 1 µs Latenz hinzu, erfordert aber Optimierungen des TCP-Stacks, um den Durchsatz zu erhöhen.

Quotes

"Die Verfügbarkeit von Kommunikationsrahmenwerken zwischen FPGAs sowie die Konfigurierbarkeit von Rahmenwerk und Netzwerkstack sind entscheidend, um die beste Anwendungsleistung mit geringer Latenz zu erzielen."
"Mit einer geeigneten ACCL-Konfiguration kann gutes Skalierungsverhalten auf alle 48 FPGAs des Systems gezeigt werden."

Key Insights Distilled From

Optimizing Communication for Latency Sensitive HPC Applications on up to 48 FPGAs Using ACCL

by Marius Meyer... at arxiv.org 03-28-2024

https://arxiv.org/pdf/2403.18374.pdf

Deeper Inquiries

Wie könnte man die Kommunikationslatenz weiter reduzieren, ohne den Ressourcenverbrauch zu erhöhen

Um die Kommunikationslatenz weiter zu reduzieren, ohne den Ressourcenverbrauch zu erhöhen, könnten verschiedene Ansätze verfolgt werden. Eine Möglichkeit wäre die Optimierung der ACCL-Konfiguration, um die Effizienz der Kommunikation zu verbessern. Dies könnte die Feinabstimmung der Buffergrößen, die Implementierung von effizienteren Algorithmen für die Datenübertragung oder die Nutzung von Hardwarebeschleunigungstechniken umfassen. Darüber hinaus könnte die Implementierung von speziellen Kommunikationsprotokollen oder -mechanismen, die auf die Anforderungen der Anwendung zugeschnitten sind, die Latenz weiter reduzieren. Eine sorgfältige Analyse der Kommunikationsmuster und -anforderungen der HPC-Anwendung könnte auch dazu beitragen, Engpässe zu identifizieren und zu beseitigen, um die Latenzzeiten zu minimieren.

Welche anderen HPC-Anwendungen könnten von den Erkenntnissen dieser Studie profitieren und wie müssten sie angepasst werden

Die Erkenntnisse dieser Studie könnten auch auf andere HPC-Anwendungen angewendet werden, die eine hohe Anforderung an die Kommunikationslatenz haben. Beispielsweise könnten Anwendungen im Bereich der Echtzeit-Simulationen, der KI-Berechnungen oder der Finanzmodellierung von den Optimierungstechniken für die Kommunikation profitieren. Um diese Anwendungen anzupassen, müssten ähnliche Evaluierungen der Kommunikationsinfrastruktur durchgeführt werden, um die besten Konfigurationen für die spezifischen Anforderungen der Anwendung zu ermitteln. Darüber hinaus könnten die Implementierung von benutzerdefinierten Kommunikationsprotokollen, die Nutzung von Hardwarebeschleunigungstechniken und die Feinabstimmung der Netzwerkeinstellungen dazu beitragen, die Leistung und Effizienz der Anwendungen zu verbessern.

Welche Auswirkungen hätte der Einsatz neuerer Netzwerktechnologien wie RoCE oder InfiniBand auf die Kommunikationsleistung und den Ressourcenverbrauch

Der Einsatz neuerer Netzwerktechnologien wie RoCE (RDMA over Converged Ethernet) oder InfiniBand könnte signifikante Auswirkungen auf die Kommunikationsleistung und den Ressourcenverbrauch haben. RoCE ermöglicht eine effiziente Datenübertragung mit geringer Latenz und hoher Bandbreite über Ethernet-Netzwerke, während InfiniBand eine leistungsstarke Interconnect-Technologie für HPC-Anwendungen darstellt. Durch die Implementierung dieser Technologien könnte die Kommunikationsleistung weiter verbessert werden, insbesondere bei Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Latenz und den Datendurchsatz. Allerdings könnte der Einsatz dieser Technologien auch zu einem erhöhten Ressourcenverbrauch führen, da sie spezielle Hardwareanforderungen haben und möglicherweise zusätzliche Konfigurationen erfordern. Eine sorgfältige Evaluierung und Anpassung der Netzwerkinfrastruktur wäre daher erforderlich, um die Vorteile dieser Technologien optimal zu nutzen.