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Optimisation de la largeur des mots pour la conversion de virgule flottante en virgule fixe ciblant des processeurs embarqués avec support SIMD

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Afin de limiter leur coût et/ou leur consommation électrique, certains processeurs embarqués sacrifient le support matériel de l’arithmétique à virgule flottante. Pourtant, pour des raisons de simplicité, les applications sont généralement spécifiées en utilisant l’arithmétique à virgule flottante. Porter ces applications sur des processeurs embarqués de ce genre nécessite une émulation logicielle de l’arithmétique à virgule flottante, qui peut sévèrement dégrader la performance. Pour éviter cela, l’application est convertie pour utiliser l’arithmétique à virgule fixe, qui a l’avantage d’être plus efficace à implémenter sur des unités de calcul entier. La conversion de virgule flottante en virgule fixe est une procédure délicate qui implique des compromis subtils entre performance et précision de calcul. Elle permet, entre autre, de réduire la taille des données pour le coût de dégrader la précision de calcul. Par ailleurs, la plupart de ces processeurs fournissent un support pour le calcul vectoriel de type SIMD (Single Instruction Multiple Data) afin d’améliorer la performance. En effet, cela permet l’exécution d’une opération sur plusieurs données en parallèle, réduisant ainsi le temps d’exécution. Cependant, il est généralement nécessaire de transformer l’application pour exploiter les unités de calcul vectoriel. Cette transformation de vectorisation est sensible à la taille des données ; plus leurs tailles diminuent, plus le taux de vectorisation augmente. Il apparaît donc un compromis entre vectorisation et précision de calcul. Plusieurs travaux ont proposé des méthodologies permettant, d’une part la conversion automatique de virgule flottante en virgule fixe, et d’autre part la vectorisation automatique. Dans l’état de l’art, ces deux transformations sont considérées indépendamment, pourtant elles sont fortement liées. Dans ce contexte, nous étudions la relation entre ces deux transformations, dans le but d’exploiter efficacement le compromis entre performance et précision de calcul. Ainsi, nous proposons d’abord un algorithme amélioré pour l’extraction de parallélisme SLP (Superword Level Parallelism ; une technique de vectorisation). Puis, nous proposons une nouvelle méthodologie permettant l’application conjointe de la conversion de virgule flottante en virgule fixe et de l’exploitation du SLP. Enfin, nous implémentons cette approche sous forme d’un flot de compilation source-à-source complètement automatisé, afin de valider ces travaux. Les résultats montrent l’efficacité de cette approche, dans l’exploitation du compromis entre performance et précision, vis-à-vis d’une approche classique considérant ces deux transformations indépendamment.

Title : SIMD-aware Word Length Optimization for Floating-point to Fixed-point Conversion targeting Embedded Processors

Abstract :

In order to cut-down their cost and/or their power consumption, many embedded processors do not provide hardware support for floating-point arithmetic. However, applications in many domains, such as signal processing, are generally specified using floating-point arithmetic for the sake of simplicity. Porting these applications on such embedded processors requires a software emulation of floating-point arithmetic, which can greatly degrade performance. To avoid this, the application is converted to use fixed-point arithmetic instead. Floating-point to fixed-point conversion involves a subtle tradeoff between performance and precision ; it enables the use of narrower data word lengths at the cost of degrading the computation accuracy. Besides, most embedded processors provide support for SIMD (Single Instruction Multiple Data) as a mean to improve performance. In fact, this allows the execution of one operation on multiple data in parallel, thus ultimately reducing the execution time. However, the application should usually be transformed in order to take advantage of the SIMD instruction set.
This transformation, known as Simdization, is affected by the data word lengths ; narrower wordlengths enable a higher SIMD parallelism rate. Hence the tradeoff between precision and Simdization. Many existing work aimed at provide/improving methodologies for automatic floating-point to fixed-point conversion on the one side, and Simdization on the other. In the state-of-the-art, both transformations are considered separately even though they are strongly related. In this context, we study the interactions between these transformations in order to better exploit the performance/accuracy tradeoff. First, we propose an improved SLP (Superword Level Parallelism) extraction (an Simdization technique) algorithm. Then, we propose a new methodology to jointly perform floating-point to fixed-point conversion and SLP extraction. Finally, we implement this work as a fully automated source-to-source compiler flow. Experimental results, targeting four different embedded processors, show the validity of our approach in efficiently exploiting the performance/accuracy tradeoff compared to a typical approach, which considers both transformations independently.

Un pot suivra en salle Oléron.

 

Orateur: 
Ali-Hassan EL MOUSSAWI (CAIRN)
Département: 
Date: 
Vendredi, 16. décembre 2016 -
10:30 - 15:00
Lieu: 
IRISA Rennes- Campus de Beaulieu, Salle Aurigny
Type soutenance: 
Composition du Jury: 
  • David Defour, Maître de Conférences, Université de Perpignan
  • Lionel Lacassagne, Professeur, Université Pierre et Marie Curie
  • Karine Heydemann, Maître de Conférences, Université Pierre et Marie Curie
  • Daniel Menard, Professeur, INSA Rennes
  • Tomofumi Yuki, Chargé de Recherche, INRIA Rennes Bretagne Atlantique
  • Steven Derrien, Professeur, Université de Rennes 1