2.5 Proposed Mapping and Dataflow
4.2 节 Proposed Mapping and Dataflow 的核心是:
在把 S2G 流水线映射到 PanGaea 的 PE 阵列上时,针对不同阶段的计算模式,设计两套高效的数据流——一套用于稀疏的线性链,一套用于密集的波前对齐。
这两套数据流都充分利用 PE 网格的通信能力,把归约、广播、邻居交换等操作嵌入阵列内部,避免专用硬件,提高灵活性和效率。
下面分模式解释。
1. Mode 1:Linear Chaining 的数据流
计算模式
线性链要计算:固定锚点 ,遍历所有可能的 ,求:
每个 PE 可以独立评估一个 对。
所以最自然的映射是:每个 PE 负责一个 对,144 个 PE 并行计算。
数据流:广播-单播-归约
因为所有 PE 都要用到锚点 的信息,而每个 PE 还需要不同的 ,所以采用如下步骤:
-
广播:锚点数据 通过共享总线(H-tree 分布)广播到所有 PE。
实际上,数据从 发出,通过点对点连接到达每个 PE。
这样所有 PE 都能拿到相同的 信息。 -
并行计算:每个 PE 根据自己负责的 ,计算 对的分数。
此时 144 个 PE 同时工作,得到 144 个候选分数。 -
归约:需要从 144 个分数中找出最大值和对应的最佳 。
归约分两步:- 垂直通信:每一列 PE 先在本列内比较,把该列的最大分数送到第一行。
- 水平通信:第一行各列的最大值再水平比较,最终 收到全局最大分数和最佳 。
-
存储: 把结果写入 SRAM,供后续阶段使用。
为什么这样设计?
- 不需要单独的归约树硬件。归约用的 MAX 比较器直接嵌入 PE 的输出混合逻辑中。
- 相比独立归约树,节省约 15% 面积,减少 3 个周期的延迟。
- 通信利用 PE 网格的垂直-水平拓扑,自然且高效。
2. Mode 2A/2B:WFA 波前对齐的数据流
计算模式
波前对齐沿 DP 矩阵的对角线推进。
计算单元格 时,需要之前波前的值,例如:
- 、、 等;
- 矩阵来自左侧, 矩阵来自右侧。
依赖关系是:计算 需要 的值,其中 是惩罚偏移。
相邻对角线之间共享大量数据,例如 和 都需要 。
数据流:邻居交换 + All-reduce
因为依赖沿对角线方向,且相邻对角线有重叠,所以把 PE 组织成 2D 网格,让邻居之间直接交换数据:
-
水平交换:
- 每个 PE 把计算出的 矩阵发给右邻居;
- 把 矩阵发给左邻居。
- 这样,每个 PE 都能从邻居那里得到自己需要的 或 值。
-
All-reduce 通信:
- 除了邻居交换,还需要把某些结果归约并广播到所有相关 PE。
- 例如,图 6(c) 显示数据从 通过 All-reduce 发送到 。
- All-reduce 的含义是:先在所有 PE 间做归约(如取最大值),再把结果广播给所有 PE。
- 这样每个 PE 都能获得全局一致的波前值,继续下一层计算。
-
多端口 scratchpad:
- WFA 每周期每个 PE 需要多次读取 DP 矩阵(Mode 2A 需 9 次,Mode 2B 需 3 次)。
- 所以局部 scratchpad 必须多端口,才能支撑这种密集访问。
为什么这样设计?
- 波前对齐是密集 DP,数据依赖规则且局部性强。
- 用 2D 网格和邻居交换,可以把通信限制在相邻 PE 之间,减少长距离传输。
- All-reduce 保证所有 PE 同步获得最新波前值,支持对角线推进。
- Mode 2A 和 2B 共享算术单元,数据流也类似,只是读取的矩阵数量和来源层次不同。
3. 两套数据流的对比
| 特性 | Mode 1(线性链) | Mode 2A/2B(波前对齐) |
|---|---|---|
| 计算模式 | 稀疏 DP,每个 PE 算一个 对 | 密集 DP,沿对角线推进 |
| 映射方式 | 每个 PE 负责一个 | PE 对应 DP 矩阵的对角线单元 |
| 主要通信 | 广播 + 垂直/水平归约 | 邻居交换 + All-reduce |
| 归约方式 | 嵌入 PE 输出逻辑的 MAX 比较器 | All-reduce 归约并广播 |
| 优点 | 无需专用归约树,节省面积和延迟 | 利用局部依赖,减少通信,支持密集计算 |
4. 总结
4.2 节提出的映射和数据流,本质上是根据计算模式的特点,选择最合适的 PE 间通信方式:
- 线性链:数据共享多、需要全局归约 → 广播 + 网格归约。
- 波前对齐:依赖沿对角线、局部重叠多 → 邻居交换 + All-reduce。
这两种数据流都尽量把通信和归约操作嵌入 PE 阵列内部,避免专用硬件,从而在同一个灵活 PE 阵列上高效支持 S2G 流水线的不同阶段。
最终效果是:减少硬件面积、降低延迟、提高 PE 利用率,为跨阶段融合提供基础。