딥러닝 학습 및 추론을 위한 GPU 성능 예측: NeuSight 프레임워크 소개

Q: 딥러닝 모델의 성능 예측을 넘어 어떤 분야에 활용될 수 있을까요?

NeuSight 프레임워크는 딥러닝 모델의 성능 예측을 위해 개발되었지만, 그 핵심 기술은 다양한 종류의 워크로드와 하드웨어 아키텍처에 대한 성능 예측에 활용될 수 있습니다. 다른 머신러닝 알고리즘 성능 예측: 딥러닝 뿐 아니라, 다양한 머신러닝 알고리즘 (예: Support Vector Machine, Random Forest) 또한 GPU에서 실행되며, NeuSight의 타일 기반 예측 방식을 적용하여 성능 예측이 가능합니다. GPU 이외의 아키텍처 성능 예측: NeuSight의 핵심 아이디어인 타일 기반 분석 및 성능 모델링은 CPU, FPGA 등 다른 하드웨어 아키텍처에도 적용 가능합니다. 각 아키텍처에 맞는 타일 정의 및 성능 모델링을 통해 NeuSight 프레임워크를 확장할 수 있습니다. 워크로드 스케줄링 및 최적화: NeuSight를 활용하여 실행 전에 워크로드의 예상 성능을 파악하고, 이를 기반으로 GPU 자원 할당 및 스케줄링 최적화를 수행할 수 있습니다. 하드웨어 설계 탐색: 새로운 GPU 아키텍처 설계 시, NeuSight를 활용하여 다양한 디자인 선택에 따른 성능 변화를 예측하고, 최적의 아키텍처를 탐색하는데 활용할 수 있습니다. 결론적으로 NeuSight는 딥러닝 모델의 성능 예측을 넘어, 다양한 워크로드 및 하드웨어 아키텍처에 대한 성능 예측 및 시스템 최적화에 폭넓게 활용될 수 있는 가능성을 제시합니다.

Q: NeuSight의 타일 기반 예측 방식이 모든 종류의 GPU 아키텍처에 대해 동일한 수준의 정확도를 보장할 수 있을까요?

NeuSight의 타일 기반 예측 방식은 GPU 아키텍처의 공통적인 특징을 활용하기 때문에 다양한 GPU에서 좋은 성능을 보여주지만, 모든 종류의 GPU 아키텍처에 대해 동일한 수준의 정확도를 보장한다고 단정할 수는 없습니다. NeuSight는 타일 크기, SM 개수, 메모리 대역폭 등의 하드웨어 특성을 기반으로 성능을 예측합니다. 하지만 GPU 아키텍처는 계속해서 진화하고 있으며, 새로운 GPU는 새로운 캐시 계층 구조, 향상된 스케줄링 알고리즘, 특수 연산 유닛 등 NeuSight가 고려하지 못한 특징을 포함할 수 있습니다. NeuSight의 정확도를 유지하기 위해서는 다음과 같은 노력이 필요합니다. 새로운 아키텍처 특징 반영: 새로운 GPU 아키텍처가 등장할 때마다 NeuSight에 해당 아키텍처의 특징을 반영해야 합니다. 예를 들어 새로운 캐시 계층 구조가 도입된다면, NeuSight는 캐시 적중률을 예측하고 이를 성능 예측에 반영해야 합니다. 다양한 GPU 데이터 수집: 다양한 종류의 GPU에서 수집한 데이터를 바탕으로 NeuSight를 학습시켜야 합니다. 특히 새로운 아키텍처의 GPU 데이터를 충분히 확보하는 것이 중요합니다. 예측 모델 개선: NeuSight의 예측 모델을 지속적으로 개선하여 새로운 아키텍처 및 워크로드에 대한 정확도를 향상해야 합니다. 예를 들어, 딥러닝 모델의 발전에 따라 더욱 정확한 예측 모델이 필요할 수 있습니다. 결론적으로 NeuSight의 타일 기반 예측 방식은 다양한 GPU 아키텍처에 적용 가능한 효과적인 방법이지만, 새로운 아키텍처에 대한 정확도를 보장하기 위해서는 지속적인 업데이트 및 개선이 필요합니다.

Q: 딥러닝 모델의 학습 및 추론 과정에서 발생하는 에너지 소비량 또한 예측 가능하도록 NeuSight를 확장할 수 있을까요?

네, 딥러닝 모델의 학습 및 추론 과정에서 발생하는 에너지 소비량 또한 예측 가능하도록 NeuSight를 확장할 수 있습니다. NeuSight는 이미 GPU의 활용률, 메모리 사용량, 연산량 등 에너지 소비량과 밀접한 관련이 있는 요소들을 예측하고 있습니다. 이러한 정보들을 활용하여 에너지 소비량 예측 모델을 추가적으로 구축할 수 있습니다. NeuSight를 에너지 소비량 예측까지 확장하기 위한 방법: 에너지 소비량 데이터 수집: 다양한 딥러닝 모델, 하드웨어 구성, 워크로드 환경에서 실제 에너지 소비량 데이터를 수집해야 합니다. 에너지 소비량 예측 모델 학습: 수집된 데이터를 기반으로 NeuSight의 예측 결과 (GPU 활용률, 메모리 사용량, 연산량 등)와 에너지 소비량 사이의 상관관계를 학습하는 에너지 예측 모델을 구축합니다. 회귀 분석, 머신 러닝 기법 등을 활용 가능합니다. NeuSight와 에너지 예측 모델 통합: NeuSight 프레임워크에 학습된 에너지 예측 모델을 통합하여 성능 예측과 함께 에너지 소비량 예측 결과를 제공합니다. 추가적으로 고려할 사항: 하드웨어 전력 모델: GPU 제조사에서 제공하는 전력 모델을 활용하거나, 직접 측정을 통해 하드웨어 구성 요소별 에너지 소비량 특성을 파악하여 예측 모델의 정확도를 높일 수 있습니다. 동적 전압 및 주파수 스케일링 (DVFS): DVFS 기술 적용 시 GPU의 전압 및 주파수가 동적으로 변화하므로, 이를 고려한 에너지 소비량 예측 모델 설계가 필요합니다. NeuSight를 에너지 소비량 예측까지 확장하면, 딥러닝 모델 학습 및 추론 과정에서 성능뿐만 아니라 에너지 효율성까지 고려한 시스템 설계 및 운영이 가능해집니다.

核心概念

새로운 GPU에 대한 접근 제한 없이, 다양한 딥러닝 모델의 학습 및 추론 성능을 예측할 수 있는 NeuSight 프레임워크를 소개합니다.

摘要

NeuSight: 딥러닝 학습 및 추론을 위한 GPU 성능 예측 프레임워크

본 연구 논문에서는 새로운 GPU에 대한 접근 없이 다양한 딥러닝 모델의 학습 및 추론 성능을 예측할 수 있는 NeuSight 프레임워크를 소개합니다.

딥러닝과 GPU 성능 예측의 필요성

딥러닝 모델의 크기가 증가하고 새로운 GPU가 빠르게 출시됨에 따라, 개발자들은 모델 학습 및 배포에 최적화된 GPU를 선택하는 데 어려움을 겪고 있습니다. 특히 새로운 GPU는 높은 가격과 제한된 접근성으로 인해 성능을 직접 측정하기 어려운 경우가 많습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 NeuSight는 GPU 아키텍처 정보와 머신러닝 기법을 활용하여 새로운 GPU에서의 딥러닝 모델 성능을 예측합니다.

기존 연구의 한계

기존 GPU 성능 예측 연구는 크게 분석 모델, 선형 회귀 모델, 신경망 접근 방식으로 나뉩니다. 그러나 이러한 연구들은 새로운 GPU 및 모델에 대한 예측 정확도가 떨어지는 한계를 보였습니다. 분석 모델은 GPU 실행의 세부 정보를 고려하지 않고, 선형 회귀 모델은 GPU 활용도의 비선형성을 포착하지 못하며, 신경망 접근 방식은 GPU 아키텍처 정보를 충분히 활용하지 못하는 문제점을 가지고 있습니다.

NeuSight 프레임워크: 타일 기반 예측 및 성능 법칙 적용

NeuSight는 GPU의 타일 기반 실행 전략과 딥러닝 커널의 계산 및 메모리 제약 조건을 고려하여 새로운 예측 메커니즘을 제시합니다.

타일 기반 예측: NeuSight는 딥러닝 커널을 여러 개의 작은 작업 단위인 타일로 분해하고, 각 타일의 GPU 활용도를 예측하여 전체 커널의 지연 시간을 계산합니다. 이를 통해 복잡한 커널 실행 패턴을 효과적으로 모델링하고 예측 정확도를 향상시킵니다.
성능 법칙 적용: NeuSight는 GPU의 최대 FLOPS, 메모리 대역폭과 같은 성능 법칙을 예측 모델에 적용하여 예측 결과의 신뢰성을 높입니다.

NeuSight의 성능 평가

다양한 GPU (Nvidia H100, A100-80GB, V100, A100-40GB, P100, T4, L4) 및 딥러닝 워크로드 (BERT, GPT2, GPT3, OPT, Switch Transformer)를 사용한 평가 결과, NeuSight는 H100, L4, A100-80GB GPU 및 GPT3, OPT 모델에 대한 학습 없이도 높은 예측 정확도를 보였습니다.

결론

NeuSight는 새로운 GPU에 대한 접근 없이도 딥러닝 모델의 성능을 예측할 수 있는 프레임워크입니다. NeuSight를 사용하면 개발자들은 다양한 GPU에서 모델의 성능을 비교하고, 요구 사항에 맞는 GPU를 선택하며, 새로운 모델 아키텍처의 배포 가능성을 평가할 수 있습니다.

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arxiv.org

統計資料

H100에서 (512x64) x (64x512) 행렬 곱셈을 실행할 때 배치 크기가 512일 경우 Peak FLOPS 활용도는 86.0%입니다.
GPT3 모델의 학습 및 추론에서 H100 GPU에 대한 지연 시간 예측 오차는 각각 2.3%입니다.
NeuSight는 다양한 딥러닝 워크로드 및 최신 GPU에서 평균 8.9%의 오차율을 보였습니다.
기존 MLP 기반 예측 모델은 140%, 선형 회귀 기반 예측 모델은 60.8%의 오차율을 보였습니다.
4-GPU 서버에서 분산 학습 시 NeuSight는 GPT2 및 GPT3 모델에서 평균 5.4%의 오차율을 나타냈습니다.

引述

"However, access to newer GPUs is often limited, raising important questions about the performance of new model architectures on existing GPUs, existing models on new GPUs, and new model architectures on new GPUs."
"NeuSight outperforms prior work across a variety of deep learning workloads and the most up-to-date GPUs."
"It reduces the percentage error from 121.4% and 30.8% to 2.3% in predicting the latency of GPT3 model for training and inference on H100, in comparison to state of the art prior works [26, 62], respectively, where GPT3 and H100 were not used to train any framework."

從以下內容提煉的關鍵洞見

Forecasting GPU Performance for Deep Learning Training and Inference

by Seonho Lee, ... 於 arxiv.org 11-19-2024

https://arxiv.org/pdf/2407.13853.pdf

Forecasting GPU Performance for Deep Learning Training and Inference

深入探究

딥러닝 모델의 성능 예측을 넘어 어떤 분야에 활용될 수 있을까요?

NeuSight 프레임워크는 딥러닝 모델의 성능 예측을 위해 개발되었지만, 그 핵심 기술은 다양한 종류의 워크로드와 하드웨어 아키텍처에 대한 성능 예측에 활용될 수 있습니다.

다른 머신러닝 알고리즘 성능 예측: 딥러닝 뿐 아니라, 다양한 머신러닝 알고리즘 (예: Support Vector Machine, Random Forest) 또한 GPU에서 실행되며, NeuSight의 타일 기반 예측 방식을 적용하여 성능 예측이 가능합니다.
GPU 이외의 아키텍처 성능 예측: NeuSight의 핵심 아이디어인 타일 기반 분석 및 성능 모델링은 CPU, FPGA 등 다른 하드웨어 아키텍처에도 적용 가능합니다. 각 아키텍처에 맞는 타일 정의 및 성능 모델링을 통해 NeuSight 프레임워크를 확장할 수 있습니다.
워크로드 스케줄링 및 최적화: NeuSight를 활용하여 실행 전에 워크로드의 예상 성능을 파악하고, 이를 기반으로 GPU 자원 할당 및 스케줄링 최적화를 수행할 수 있습니다.
하드웨어 설계 탐색: 새로운 GPU 아키텍처 설계 시, NeuSight를 활용하여 다양한 디자인 선택에 따른 성능 변화를 예측하고, 최적의 아키텍처를 탐색하는데 활용할 수 있습니다.

결론적으로 NeuSight는 딥러닝 모델의 성능 예측을 넘어, 다양한 워크로드 및 하드웨어 아키텍처에 대한 성능 예측 및 시스템 최적화에 폭넓게 활용될 수 있는 가능성을 제시합니다.

NeuSight의 타일 기반 예측 방식이 모든 종류의 GPU 아키텍처에 대해 동일한 수준의 정확도를 보장할 수 있을까요?

NeuSight의 타일 기반 예측 방식은 GPU 아키텍처의 공통적인 특징을 활용하기 때문에 다양한 GPU에서 좋은 성능을 보여주지만, 모든 종류의 GPU 아키텍처에 대해 동일한 수준의 정확도를 보장한다고 단정할 수는 없습니다.
NeuSight는 타일 크기, SM 개수, 메모리 대역폭 등의 하드웨어 특성을 기반으로 성능을 예측합니다. 하지만 GPU 아키텍처는 계속해서 진화하고 있으며, 새로운 GPU는 새로운 캐시 계층 구조, 향상된 스케줄링 알고리즘, 특수 연산 유닛 등 NeuSight가 고려하지 못한 특징을 포함할 수 있습니다.
NeuSight의 정확도를 유지하기 위해서는 다음과 같은 노력이 필요합니다.

새로운 아키텍처 특징 반영: 새로운 GPU 아키텍처가 등장할 때마다 NeuSight에 해당 아키텍처의 특징을 반영해야 합니다. 예를 들어 새로운 캐시 계층 구조가 도입된다면, NeuSight는 캐시 적중률을 예측하고 이를 성능 예측에 반영해야 합니다.
다양한 GPU 데이터 수집: 다양한 종류의 GPU에서 수집한 데이터를 바탕으로 NeuSight를 학습시켜야 합니다. 특히 새로운 아키텍처의 GPU 데이터를 충분히 확보하는 것이 중요합니다.
예측 모델 개선:  NeuSight의 예측 모델을 지속적으로 개선하여 새로운 아키텍처 및 워크로드에 대한 정확도를 향상해야 합니다. 예를 들어, 딥러닝 모델의 발전에 따라 더욱 정확한 예측 모델이 필요할 수 있습니다.
결론적으로 NeuSight의 타일 기반 예측 방식은 다양한 GPU 아키텍처에 적용 가능한 효과적인 방법이지만, 새로운 아키텍처에 대한 정확도를 보장하기 위해서는 지속적인 업데이트 및 개선이 필요합니다.

딥러닝 모델의 학습 및 추론 과정에서 발생하는 에너지 소비량 또한 예측 가능하도록 NeuSight를 확장할 수 있을까요?

네, 딥러닝 모델의 학습 및 추론 과정에서 발생하는 에너지 소비량 또한 예측 가능하도록 NeuSight를 확장할 수 있습니다.
NeuSight는 이미 GPU의 활용률, 메모리 사용량, 연산량 등 에너지 소비량과 밀접한 관련이 있는 요소들을 예측하고 있습니다. 이러한 정보들을 활용하여 에너지 소비량 예측 모델을 추가적으로 구축할 수 있습니다.
NeuSight를 에너지 소비량 예측까지 확장하기 위한 방법:

에너지 소비량 데이터 수집: 다양한 딥러닝 모델, 하드웨어 구성, 워크로드 환경에서 실제 에너지 소비량 데이터를 수집해야 합니다.
에너지 소비량 예측 모델 학습: 수집된 데이터를 기반으로 NeuSight의 예측 결과 (GPU 활용률, 메모리 사용량, 연산량 등)와 에너지 소비량 사이의 상관관계를 학습하는 에너지 예측 모델을 구축합니다. 회귀 분석, 머신 러닝 기법 등을 활용 가능합니다.
NeuSight와 에너지 예측 모델 통합:  NeuSight 프레임워크에 학습된 에너지 예측 모델을 통합하여 성능 예측과 함께 에너지 소비량 예측 결과를 제공합니다.

추가적으로 고려할 사항:

하드웨어 전력 모델:  GPU 제조사에서 제공하는 전력 모델을 활용하거나, 직접 측정을 통해 하드웨어 구성 요소별 에너지 소비량 특성을 파악하여 예측 모델의 정확도를 높일 수 있습니다.
동적 전압 및 주파수 스케일링 (DVFS):  DVFS 기술 적용 시 GPU의 전압 및 주파수가 동적으로 변화하므로, 이를 고려한 에너지 소비량 예측 모델 설계가 필요합니다.
NeuSight를 에너지 소비량 예측까지 확장하면, 딥러닝 모델 학습 및 추론 과정에서 성능뿐만 아니라 에너지 효율성까지 고려한 시스템 설계 및 운영이 가능해집니다.