Thèse soutenue

Noyaux de calcul haute-performance de tenseurs denses et matrices creuses pour l’apprentissage automatique

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Auteur / Autrice : Filip Igor Pawlowski
Direction : Bora Uçar
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Informatique
Date : Soutenance le 11/12/2020
Etablissement(s) : Lyon
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale en Informatique et Mathématiques de Lyon
Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure de Lyon (2010-...)
Laboratoire : Laboratoire de l'informatique du parallélisme (Lyon ; 1988-....) - Optimisation des ressources : modèles, algorithmes et ordonnancement
Jury : Président / Présidente : Ümit V. Çatalyürek
Examinateurs / Examinatrices : Bora Uçar, Ümit V. Çatalyürek, Xiaoye Sherry Li, Alfredo Buttari, Laura Grigori, Albert-Jan N. Yzelman
Rapporteurs / Rapporteuses : Xiaoye Sherry Li, Alfredo Buttari

Résumé

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Dans cette thèse, nous développons des algorithmes à haute performance pour certains calculs impliquant des tenseurs denses et des matrices éparses. Nous abordons les opérations du noyau qui sont utiles pour les tâches d'apprentissage de la machine, telles que l'inférence avec les réseaux neuronaux profonds. Nous développons des structures de données et des techniques pour réduire l'utilisation de la mémoire, pour améliorer la localisation des données et donc pour améliorer la réutilisation du cache des opérations du noyau. Nous concevons des algorithmes parallèles à mémoire séquentielle et à mémoire partagée.Dans la première partie de la thèse, nous nous concentrons sur les noyaux tenseurs denses. Les noyaux tenseurs comprennent la multiplication tenseur-vecteur (TVM), la multiplication tenseur-matrice (TMM) et la multiplication tenseur-tendeur (TTM). Parmi ceux-ci, la MVT est la plus liée à la largeur de bande et constitue un élément de base pour de nombreux algorithmes. Nous proposons une nouvelle structure de données qui stocke le tenseur sous forme de blocs, qui sont ordonnés en utilisant la courbe de remplissage de l'espace connue sous le nom de courbe de Morton (ou courbe en Z). L'idée clé consiste à diviser le tenseur en blocs suffisamment petits pour tenir dans le cache et à les stocker selon l'ordre de Morton, tout en conservant un ordre simple et multidimensionnel sur les éléments individuels qui les composent. Ainsi, des routines BLAS haute performance peuvent être utilisées comme micro-noyaux pour chaque bloc. Les résultats démontrent non seulement que l'approche proposée est plus performante que les variantes de pointe jusqu'à 18%, mais aussi que l'approche proposée induit 71% de moins d'écart-type d'échantillon pour le MVT dans les différents modes possibles. Enfin, nous étudions des algorithmes de mémoire partagée parallèles pour la MVT qui utilisent la structure de données proposée. Nos résultats sur un maximum de 8 systèmes de prises montrent une performance presque maximale pour l'algorithme proposé pour les tenseurs à 2, 3, 4 et 5 dimensions.Dans la deuxième partie de la thèse, nous explorons les calculs épars dans les réseaux de neurones en nous concentrant sur le problème d'inférence profonde épars à haute performance. L'inférence sparse DNN est la tâche d'utiliser les réseaux sparse DNN pour classifier un lot d'éléments de données formant, dans notre cas, une matrice de caractéristiques sparse. La performance de l'inférence clairsemée dépend de la parallélisation efficace de la matrice clairsemée - la multiplication matricielle clairsemée (SpGEMM) répétée pour chaque couche dans la fonction d'inférence. Nous introduisons ensuite l'inférence modèle-parallèle, qui utilise un partitionnement bidimensionnel des matrices de poids obtenues à l'aide du logiciel de partitionnement des hypergraphes. Enfin, nous introduisons les algorithmes de tuilage modèle-parallèle et de tuilage hybride, qui augmentent la réutilisation du cache entre les couches, et utilisent un module de synchronisation faible pour cacher le déséquilibre de charge et les coûts de synchronisation. Nous évaluons nos techniques sur les données du grand réseau du IEEE HPEC 2019 Graph Challenge sur les systèmes à mémoire partagée et nous rapportons jusqu'à 2x l'accélération par rapport à la ligne de base.