Compiler Driven Soft Error Protection Techniques for GPUs

Abstract

Due to semiconductor technology scaling and near-threshold voltage computing, soft error resilience has become more important. Nowadays, GPUs are widely used in high performance computing (HPC) because of its efficient parallel processing and modern GPUs designed for HPC use error correction code (ECC) to protect their storage including register files. However, adopting ECC in the register file imposes high area and energy overhead.

To replace the expensive hardware cost of ECC, we propose Penny, a lightweight compiler-directed resilience scheme for GPU register file protection. We combine recent advances in idempotent recovery with low-cost error detection code. Our approach focuses on solving two important problems:

1. Can we guarantee correct error recovery using idempotent execution with error detection code? We show that when an error detection code is used with idempotence recovery, certain restrictions required by previous idempotent recovery schemes are no longer needed. We also propose a software-based scheme to prevent the checkpoint value from being overwritten before the end of the region where the value is required for correct recovery.

2. How do we reduce the execution overhead caused by checkpointing? In GPUs additional checkpointing store instructions inflicts considerably higher overhead compared to CPUs, due to its architectural characteristics, such as lack of store buffers. We propose a number of compiler optimizations techniques that significantly reduce the overhead.

반도체 미세공정 기술이 발전하고 문턱전압 근처 컴퓨팅(near-threashold voltage computing)이 도입됨에 따라서 소프트 에러로부터의 복원이 중요한 과제가 되었다. 강력한 병렬 계산 성능을 지닌 GPU는 고성능 컴퓨팅에서 중요한 위치를 차지하게 되었고, 슈퍼 컴퓨터에서 쓰이는 GPU들은 에러 복원 코드인 ECC를 사용하여 레지스터 파일 및 메모리 등에 저장된 데이터를 보호하게 되었다. 하지만 레지스터 파일에 ECC를 사용하는 것은 큰 하드웨어나 에너지 비용을 필요로 한다.

이런 값비싼 ECC의 하드웨어 비용을 줄이기 위해 본 논문에서는 컴파일러 기반의 저비용 GPU 레지스터 파일 복원 기법인 Penny를 제안한다. 이는 최신의 멱등성(idempotency) 기반 에러 복원 기법을 저비용의 에러 검출 코드(EDC)와 결합한 것이다. 본 논문은 다음 두가지 문제를 해결하는 데에 집중한다.

1. 에러 검출 코드 기반으로 멱등성 기반 에러 복원을 사용시 소프트 에러로부터의 안전한 복원을 보장할 수 있는가?} 본 논문에서는 에러 검출 코드가 멱등성 기반 복원 기술과 같이 사용되었을 경우 기존의 복원 기법에서 필요로 했던 조건들 없이도 안전하게 에러로부터 복원할 수 있음을 보인다.

2. 체크포인팅에드는 비용을 어떻게 절감할 수 있는가?} GPU는 스토어 버퍼가 없는 등 아키텍쳐적인 특성으로 인해서 CPU와 비교하여 체크포인트 값을 저장하는 데에 큰 오버헤드가 든다. 이 문제를 해결하기 위해 본 논문에서는 다양한 컴파일러 최적화 기법을 통하여 오버헤드를 줄인다.