PUMA

计算机科学 记忆电阻器 编译程序 彪马 微体系结构 高效能源利用 延迟(音频) 并行计算 计算机体系结构 嵌入式系统 计算机工程 程序设计语言 基因 电气工程 工程类 电信 生物化学 化学
作者
Aayush Ankit,Izzat El Hajj,Sai Rahul Chalamalasetti,Geoffrey Ndu,Martin Foltín,R. Stanley Williams,Paolo Faraboschi,Wen‐mei Hwu,John Paul Strachan,Kaushik Roy,Dejan Milojičić
标识
DOI:10.1145/3297858.3304049
摘要

Memristor crossbars are circuits capable of performing analog matrix-vector multiplications, overcoming the fundamental energy efficiency limitations of digital logic. They have been shown to be effective in special-purpose accelerators for a limited set of neural network applications. We present the Programmable Ultra-efficient Memristor-based Accelerator (PUMA) which enhances memristor crossbars with general purpose execution units to enable the acceleration of a wide variety of Machine Learning (ML) inference workloads. PUMA's microarchitecture techniques exposed through a specialized Instruction Set Architecture (ISA) retain the efficiency of in-memory computing and analog circuitry, without compromising programmability. We also present the PUMA compiler which translates high-level code to PUMA ISA. The compiler partitions the computational graph and optimizes instruction scheduling and register allocation to generate code for large and complex workloads to run on thousands of spatial cores. We have developed a detailed architecture simulator that incorporates the functionality, timing, and power models of PUMA's components to evaluate performance and energy consumption. A PUMA accelerator running at 1 GHz can reach area and power efficiency of 577 GOPS/s/mm 2 and 837~GOPS/s/W, respectively. Our evaluation of diverse ML applications from image recognition, machine translation, and language modelling (5M-800M synapses) shows that PUMA achieves up to 2,446× energy and 66× latency improvement for inference compared to state-of-the-art GPUs. Compared to an application-specific memristor-based accelerator, PUMA incurs small energy overheads at similar inference latency and added programmability.

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