Projekttitel: System- und Compiler-Design für neuartige CNM/CIM-Achitekturen
Projektdauer August 2026 – Heute
Forschungsbereich: Architectures / Scalability / Security
Machine-Learning- und Datenanalyse-Anwendungen leiden zunehmend unter der hohen Latenz und dem hohen Energieverbrauch konventioneller von-Neumann-Architekturen. Computing-near-Memory (CNM) und Computing-in-Memory (CIM) stellen einen Paradigmenwechsel in Bezug auf die Recheneffizienz dar. Im Gegensatz zu traditionellen Systemen, bei denen Verarbeitungseinheiten und Hauptspeicher nur lose über Busse verbunden sind, was zu energieintensiven Datenbewegungen führt, ermöglichen CNM/CIM-Systeme Berechnungen in der Nähe des Ortes, an dem die Daten vorliegen. Im vergangenen Jahrzehnt hat die Forschung in diesem Bereich stark zugenommen, getrieben durch die steigenden Anforderungen moderner Anwendungen, wie sich deutlich am zunehmenden Datenvolumen und Verarbeitungsbedarf ML-basierter Lösungen zeigt. Obwohl CNM/CIM-Systeme im KI-Bereich eine beispiellose Leistung und Energieeffizienz bieten, sind sie nur Hardware-Experten zugänglich, was eine breitere Adoption verhindert.
Unser Ziel ist es, die Portabilität von KI- und Big-Data-Anwendungen über bestehende CNM/CIM-Systeme und neuartige Beschleuniger-Designs hinweg zu ermöglichen, wobei Leistung, Genauigkeit und Energieeffizienz priorisiert werden.
Trotz Fortschritten bei neuartigen Speicher- und Integrationstechnologien sind aktuelle Programmiermodelle oft technologiespezifisch und auf niedriger Ebene. Angesichts der erheblichen Unterschiede im Vergleich zu konventionellen Maschinen sind neue Compiler-Abstraktionen und -Frameworks entscheidend, um das Potenzial von CIM vollständig auszuschöpfen, indem sie automatische gerätebewusste und geräteunabhängige Optimierungen bereitstellen und eine breite Adoption erleichtern.
Wir haben wiederverwendbare Abstraktionen entwickelt und Kompilierungsabläufe demonstriert, die auf CIM-Systeme mit memristiven Kreuzgitter-Arrays (MCAs), inhaltsadressierbaren Speichern (CAMs), CIM-Logik-Modulen sowie auf CNM-Systeme wie UPMEM zugeschnitten sind. Weitere Informationen dazu finden sich in den unten referenzierten Publikationen.
Unser MLIR-basierter Compiler kann Rechenprimitive von Speichergeräten sowie deren Programmiermodelle abstrahieren und den Datenfluss optimieren, unter Berücksichtigung von Hardware-Nichtidealitäten. Als Eingabe nimmt dieser Ablauf Code entgegen, der in hochgradigen (domänenspezifischen) Sprachen wie C, PyTorch und TensorFlow geschrieben ist.

Der hierarchische Ablauf ermöglicht geräteunabhängige/gerätebewusste Analysen und Transformationen, sodass wir Rechenmuster wie Punktprodukte und Ähnlichkeitssuchen auf das am besten geeignete Hardwareziel abbilden können, wie etwa CAMs und MCAs.

Die Vielseitigkeit von CNM/CIM-Systemen hat sich für ein breites Anwendungsspektrum als attraktiv erwiesen, insbesondere für Deep-Learning-Aufgaben wie Inferenz und Training, die von einer um Größenordnungen verbesserten Leistung und Energieeffizienz profitieren. Dennoch erfordert die Weiterentwicklung der Automatisierung, insbesondere in heterogenen Systemen, weitere schichtenübergreifende Zusammenarbeit und Entwicklung, um die Abbildung komplexerer ML-Modelle zu ermöglichen.
Leitung
Teammitglieder
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