論文の概要: MaxK-GNN: Extremely Fast GPU Kernel Design for Accelerating Graph Neural Networks Training

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2312.08656v5
• Date: Tue, 19 Mar 2024 02:17:43 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2024-03-20 23:51:29.433409
• Title: MaxK-GNN: Extremely Fast GPU Kernel Design for Accelerating Graph Neural Networks Training
• Title（参考訳）: MaxK-GNN: グラフニューラルネットワークトレーニングの高速化のための超高速GPUカーネル設計
• Authors: Hongwu Peng, Xi Xie, Kaustubh Shivdikar, MD Amit Hasan, Jiahui Zhao, Shaoyi Huang, Omer Khan, David Kaeli, Caiwen Ding,
• Abstract要約: アルゴリズムとシステム革新を統合した高性能GPUトレーニングシステムMaxK-GNNを提案する。 実験により、マックスK-GNNシステムは、アムダールの法則に従って理論的なスピードアップ限界に接近できることが示された。 我々はSOTA GNNに匹敵する精度を達成したが、Redditでは3.22/4.24倍のスピードアップ(理論上の限界vs, 5.52/7.27倍)を実現した。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 7.193336207798203
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: In the acceleration of deep neural network training, the GPU has become the mainstream platform. GPUs face substantial challenges on GNNs, such as workload imbalance and memory access irregularities, leading to underutilized hardware. Existing solutions such as PyG, DGL with cuSPARSE, and GNNAdvisor frameworks partially address these challenges but memory traffic is still significant. We argue that drastic performance improvements can only be achieved by the vertical optimization of algorithm and system innovations, rather than treating the speedup optimization as an "after-thought" (i.e., (i) given a GNN algorithm, designing an accelerator, or (ii) given hardware, mainly optimizing the GNN algorithm). In this paper, we present MaxK-GNN, an advanced high-performance GPU training system integrating algorithm and system innovation. (i) We introduce the MaxK nonlinearity and provide a theoretical analysis of MaxK nonlinearity as a universal approximator, and present the Compressed Balanced Sparse Row (CBSR) format, designed to store the data and index of the feature matrix after nonlinearity; (ii) We design a coalescing enhanced forward computation with row-wise product-based SpGEMM Kernel using CBSR for input feature matrix fetching and strategic placement of a sparse output accumulation buffer in shared memory; (iii) We develop an optimized backward computation with outer product-based and SSpMM Kernel. We conduct extensive evaluations of MaxK-GNN and report the end-to-end system run-time. Experiments show that MaxK-GNN system could approach the theoretical speedup limit according to Amdahl's law. We achieve comparable accuracy to SOTA GNNs, but at a significantly increased speed: 3.22/4.24 times speedup (vs. theoretical limits, 5.52/7.27 times) on Reddit compared to DGL and GNNAdvisor implementations.
• Abstract（参考訳）: ディープニューラルネットワークトレーニングの加速において、GPUは主流のプラットフォームになった。 GPUは、ワークロードの不均衡やメモリアクセスの不規則など、GNNに重大な課題に直面し、未使用のハードウェアに繋がる。 PyG、cuSPARSEを使ったDGL、GNNAdvisorフレームワークといった既存のソリューションは、これらの課題に部分的に対処するが、メモリトラフィックは依然として重要である。 我々は、高速化最適化を「後考」として扱うのではなく、アルゴリズムとシステム革新の垂直最適化によってのみ、劇的な性能改善が達成できると主張している。 (i)GNNアルゴリズムを与えられたり、加速器を設計したり、 (II) ハードウェアが与えられた場合、主にGNNアルゴリズムを最適化する。 本稿では,アルゴリズムとシステム革新を統合した高性能GPUトレーニングシステムMaxK-GNNを提案する。 (i)MaxK非線形性を導入し、MaxK非線形性を普遍近似として理論的解析し、非線形性後の特徴行列のデータとインデックスを保存するために設計されたCompressed Balanced Sparse Row(CBSR)フォーマットを示す。 (II)入力特徴量取得と共有メモリにおけるスパース出力蓄積バッファの戦略的配置にCBSRを用いた行ワイズ製品ベースSpGEMMカーネルを用いたコーデッシング強化フォワード計算を設計する。 (iii)外部製品ベースおよびSSpMMカーネルを用いた最適化された後方計算を開発する。 我々は、MaxK-GNNの広範囲な評価を行い、エンドツーエンドのシステム実行状況を報告する。 実験により、マックスK-GNNシステムは、アムダールの法則に従って理論的なスピードアップ限界に接近できることが示された。 我々はSOTA GNNに匹敵する精度を達成したが、DGLやGNNAdvisorの実装と比較して、Redditの3.22/4.24倍のスピードアップ(理論上の制限は5.52/7.27倍)を実現した。

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