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计算机科学 > 分布式、并行与集群计算

arXiv:2507.20063 (cs)
[提交于 2025年7月26日 ]

标题: 快速运行到空闲:异构CPU和GPU架构上矩阵乘法的能量效率

标题: Racing to Idle: Energy Efficiency of Matrix Multiplication on Heterogeneous CPU and GPU Architectures

Authors:Mufakir Qamar Ansari (1), Mudabir Qamar Ansari (2) ((1) Department of Electrical Engineering and Computer Science, The University of Toledo, Toledo, OH, USA, (2) Department of School of Accounting and Information Systems, Lamar University, Beaumont, TX, USA)
摘要: 随着多核和异构计算的范式转变,这是由单核处理器的基本功耗和热限制所推动的,能源效率已成为高性能计算(HPC)中的一类设计约束。 异构系统,将传统的多核CPU与专用加速器如独立(dGPU)和集成(iGPU)图形处理单元相结合,提供了一条有吸引力的路径来权衡性能和功耗之间的关系。 然而,在广泛可访问的硬件上量化这些权衡仍然是一个关键的研究领域。 本文在一台消费级笔记本电脑中的三种不同的计算架构上,对一个典型的HPC工作负载——4096x4096矩阵相乘——进行了直接的实证测量:一个多核AMD Ryzen 7 5800H CPU,一个独立的NVIDIA GeForce GTX 1650 GPU,以及一个集成的AMD Radeon Vega GPU。 使用标准、经过验证且侵入性最小的工具,如Linux perf和nvidia-smi,我们发现独立GPU不仅是性能领先者,其性能比CPU快93.5倍,而且也是最节能的,仅消耗CPU所用能量的2%,从而在能源效率方面提高了50倍。 这些发现提供了“空闲竞赛”原则的实用演示,并为能源感知的软件开发提供了明确的定量指导。
摘要: The paradigm shift towards multi-core and heterogeneous computing, driven by the fundamental power and thermal limits of single-core processors, has established energy efficiency as a first-class design constraint in high-performance computing (HPC). Heterogeneous systems, integrating traditional multi-core CPUs with specialized accelerators like discrete (dGPU) and integrated (iGPU) graphics processing units, offer a compelling path to navigating the trade-offs between performance and power. However, quantifying these trade-offs on widely accessible hardware remains a critical area of study. This paper presents a direct, empirical measurement of the performance and energy-to-solution of a canonical HPC workload -- a 4096x4096 matrix-matrix multiplication -- on three distinct compute architectures within a single consumer-grade laptop: a multi-core AMD Ryzen 7 5800H CPU, a discrete NVIDIA GeForce GTX 1650 GPU, and an integrated AMD Radeon Vega GPU. Using standard, validated, and minimally intrusive tools such as Linux perf and nvidia-smi, we find that the discrete GPU is not only the performance leader, achieving a 93.5x speedup over the CPU, but is also the most energy-efficient, consuming only 2% of the energy used by the CPU, resulting in a 50-fold improvement in energy efficiency. These findings provide a practical demonstration of the "race to idle" principle and offer clear, quantitative guidance on architectural choices for energy-aware software development.
评论: 16页,6图,3个列表。对消费级异构平台的全面实证研究
主题: 分布式、并行与集群计算 (cs.DC) ; 计算复杂性 (cs.CC)
MSC 类: Primary 68W10, Secondary 65Y05, 68M20
ACM 类: C.4; D.1.3
引用方式: arXiv:2507.20063 [cs.DC]
  (或者 arXiv:2507.20063v1 [cs.DC] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2507.20063
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Mufakir Ansari [查看电子邮件]
[v1] 星期六, 2025 年 7 月 26 日 21:15:05 UTC (749 KB)
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