VSP専用プロセッサ設計と実行エンジンIyokanについて

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1. VSP専用プロセッサ設計 と実行エンジンについて 松本 直樹(@PiBVT) 2020/02/08 カーネル/VM探検隊@関西 10回目

2. Agenda • 自己紹介 • VSP専用プロセッサ設計について • 並列実行エンジン Iyokan について

3. 自己紹介 松本 直樹 (@PiBVT) 京都大学工学部情報学科3回生 未踏プロジェクトでの担当 • VSP専用プロセッサ設計 • 実行エンジンの基本設計,試作実装

4. VSP専用プロセッサ設計について VSPはプロセッサ設計が必要 暗号処理はゲートレベルで行われる -> プロセッサ設計は平文と同様のものが利用できる FHEゲートの演算のコスト -> 出来る限りゲート数が少ない設計が必要

5. VSP専用プロセッサ設計について 出来る限り少ないゲート数,省ROM,RAM -> 専用のISAとそのプロセッサ設計を開発することに ※ROM,RAMはそれぞれ512byteでも20,000ゲート以上あるた め、全体のゲート規模にかなり影響がある

6. 時系列でみるVSP専用プロセッサ設計 2019年6月　プロジェクト開始 　　　 7月　rv32k-garnet 開発中止 　　　 8月　rv16k-amethyst(RV16Kv2準拠 マルチサイクル)完成 　　　 9月　rv16k-aquamarine(RV16Kv2準拠

   5段パイプライン)完成 10月　cahp-diamond(CAHPv3準拠 5段パイプライン)完成 2020年1月 cahp-emerald(CAHPv3準拠 スーパースカラ)完成

7. cahp-emeraldについて • VSP専用プロセッサ第5世代設計 • CAHPv3(16bit/24bit混合命令長) 準拠 • 5段パイプライン • 最大2命令同時発行インオーダースーパースカラ

   • 約8,000ゲート(cahp-diamond が約4,000 ゲート) • IPC 1.1(cahp-diamondが0.78) • このままだと不採用の危機(ゲート規模的に)

8. cahp-emeraldのアーキテクチャ 5段パイプライン・インオーダースーパースカラ

9. 混合命令長のつらさ • 16bit/24bitで偶数倍長の関係にないため、アライメントをまたぐ命 令アクセスが起こる • ジャンプでの命令フェッチで余計なストールが発生する • ゲート規模が膨らむ

10. • 32bitブロックでのROMアクセスを行ったとしてもブロック間をまたぐ 命令が存在する -> ブロック間をまたぐ命令アクセスを実現する機構が必要 混合命令長のつらさ その１

11. 一度読み込んだブロックをキャッシュに保持し、ブロックをまたい だアクセスを実現 -> ジャンプが起きると....?

12. 並列実行エンジン Iyokan について • 回路情報を元にFHEゲートを評価する並列実行エンジン • TFHEpp(CPU)/cuFHE(GPU)を暗号処理のバックエンドとして利 用可能 • verilogファイルからの回路合成は外部ツール(yosys)を利用

13. ゲートの評価順には依存関係がある • ネットリスト上のゲートは上流から下流へと順に評価する

14. ネットリストをDAG(有向非循環グラフ)で表現 1. 上流ノードを持たないノードを評価待ちとする 2. 評価待ちのノードを評価 3. 辺経由で下流のノードに評価済みであることを通知 4. 入力の上位ノードすべてが評価済みならノードを評価待ちとする 5.

    評価待ちノードが存在する場合、2へ戻る

15. CPU/GPU対応 • CPU対応はライブラリのTFHEppで簡単に実現 -> しかし、AVX2等を使っても遅い -> V100などを用いたGPGPUで高速化した例がある • GPU対応で、ホスト,デバイス間のメモリ一貫性は？ ->

    毎回転送？ -> すべてGPUオンメモリ？

16. CPU/GPU対応 • ゲートの出力値を保持する変数は高々数100KB • 一度転送すれば暗号処理自体は10ms程度処理にかかる • H2D,D2Hのメモリ転送の影響は限りなく小さい • かなりのCPUバウンドな処理のため、MPIでもスケールする...? •

    CPUとGPUの両者を用いたスケジューラを開発中 毎回転送することにした