Domain-specific languages assessment in heterogeneous architectures: from low-power to high-performance platforms

• Autores: Youssef El Faqir El Rhazoui
• Directores de la Tesis: Carlos García Sánchez (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Complutense de Madrid ( España ) en 2024
• Idioma: inglés
• Número de páginas: 181
• Títulos paralelos:
  • Evaluacion de lenguajes especificos de dominio en arquitecturas heterogeneas: de plataformas de bajo consumo a informatica de alto rendimiento
• Tribunal Calificador de la Tesis: Katzalin Olcoz (presid.), Francisco Daniel Igual Peña (secret.), Francisco Javier García Blas (voc.), José Luis Bosque Orero (voc.), Sandra Catalán Pallarés (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Informática por la Universidad Complutense de Madrid
• Materias:
  • Matemáticas
    • Ciencia de los ordenadores
      • Informática
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Docta Complutense
• Resumen
  • English

    La evolución de la arquitectura de computadores enfrenta nuevos desafíos que abarcan la eficiencia energética, la confiabilidad y el rendimiento, marcando distancia de los paradigmas tradicionales de la Ley de Moore y el escalado de Dennard. Esta transición hacia la especialización de hardware y sistemas heterogéneos requiere modelos de programación novedosos para explotar completamente sus capacidades. Las arquitecturas específicas de dominio han surgido como una solución a estos desafíos, ofreciendo hardware especializado para tareas específicas, como el aprendizaje automático, el procesamiento de señales y la criptografía.

    En respuesta, han surgido lenguajes específicos de dominio como una solución a la complejidad de programar estas arquitecturas, proporcionando abstracciones de alto nivel que permiten a los desarrolladores centrarse en los aspectos algorítmicos de sus aplicaciones.

    Sin embargo, muchos de estos lenguajes no son portables o son dependientes del fabricante.

    Lenguajes como VHDL o CUDA ejemplifican lo dicho.

    Se han realizado esfuerzos para crear un modelo de programación unificado para arquitecturas heterogéneas, como OpenCL, OpenMP o SYCL. En su caso, SYCL es un lenguaje específico de dominio basado en C++ y mantenido por el Khronos Group, ofrece una abstracción de alto nivel para programar arquitecturas heterogéneas. Está diseñado para ser una solución portable, compatible con varias arquitecturas como CPUs, GPUs, FPGAs o ASICs.

    Esta tesis evalúa SYCL como un lenguaje específico de dominio en arquitecturas heterogéneas, centrándose en plataformas de bajo consumo de energía y cómputo de alto rendimiento. Para ello, se propone una metodología para evaluar el rendimiento de estos lenguajes, considerando el impacto de la arquitectura subyacente, el modelo de programación y el compilador. Se analizan el rendimiento, el consumo de energía y la utilización de recursos utilizando un conjunto de pruebas que cubren una amplia gama de aplicaciones.

    Los resultados indican que el rendimiento de SYCL depende en gran medida de la arquitectura subyacente y del compilador. SYCL ha resultado ser una solución potable y eficiente para arquitecturas heterogéneas, con un rendimiento comparable a los modelos de programación nativos como CUDA (aproximadamente 10% inferior). En comparación con otros modelos unificados, SYCL muestra un mejor rendimiento que OpenMP, una mayor madurez que Kokkos y una mayor abstracción que OpenCL. En cuanto al consumo de energía, SYCL demuestra un comportamiento similar a CUDA, con una diferencia de aproximadamente (más/menos) 5% de media.

    Estos hallazgos proporcionan una evaluación integral de SYCL como un lenguaje específico de dominio para arquitecturas heterogéneas, ofreciendo conocimientos sobre rendimiento, consumo de energía y utilización de recursos. SYCL resulta ser una opción valiosa en situaciones donde mantener varias implementaciones del mismo código para diferentes dispositivos no es factible, reduciendo así los costes de desarrollo. El presente trabajo sirve como referencia para desarrolladores e investigadores en la selección del lenguaje más adecuado para sus aplicaciones, guiando el desarrollo de futuras arquitecturas heterogéneas, reduciendo la dependencia de los proveedores y ofreciendo una solución a la creciente disparidad de aceleradores en sistemas embebidos y de alto rendimiento.

  • English

    The evolution of computer architecture faces new challenges encompassing energy efficiency, reliability, and performance, marking a departure from the traditional Moore's Law and Dennard's scaling paradigms. This transition towards hardware specialization and heterogeneous systems necessitates novel programming models to fully exploit their ccapabilities. Domain-specific architectures have emerged as a solution to these challenges, offering specialized hardware for specific tasks, such as machine learning, signal processing, and cryuptography. In response, domain-specific languages have emerged as a soluiton to the complexity of programming these architectures, providing high-level abstractions that allow developers to focus on the algorithmic aspects of their applications. However, many of these languages are not protable or vendro-dependent. Languages like VHDL or CUDA serve as examples...