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엔비디아, FP32보다 10배 빠른 TF32 연산 모드 추가
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엔비디아, FP32보다 10배 빠른 TF32 연산 모드 추가
  • 김주연 기자
  • 승인 2020.05.25 17:01
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엔비디아는 암페어(Ampere) 아키텍처에 새로운 연산모드인 TF32를 추가, AI 훈련 가속화를 지원한다고 22일 밝혔다. 암페어 아키텍처는 엔비디아의 그래픽처리장치(GPU) 'A100'에 적용됐다.

TF32는 인공지능(AI)과 특정 고성능컴퓨팅(HPC) 애플리케이션에서 핵심적으로 사용되는 텐서연산이라고도 불리는 행렬연산(matrix math) 처리를 위한 연산모드다. TF32는 A100 GPU의 텐서 코어(Tensor Core)에서 실행되며, 볼타(Volta) GPU의 단정밀도부동소수점연산(FP32)에 비해 최대 10배 빠른 속도를 제공한다. 또 A100에서 TF32와 구조적 희소성 기능을 결합하면 볼타 대비 최대 20배 성능을 향상할 수 있다.

한 형식의 지수 내에서 비트(bit)의 수는 개체 크기를 측정할 수 있는 범위를 결정한다. 정밀도는 기수나 소수점 뒤에 있는 부동소수점 숫자에 해당하는 가수에 사용된 비트 수에 따라 결정된다. 좋은 형식은 균형을 이루고 있다. 정밀도를 전달하기 위해서는 너무 많은 비트를 사용하지 않고 적정한 양의 비트를 사용해 처리속도를 늦추지 않고 메모리를 차지하지 않아야 한다.

 

엔비디아는 암페어(Ampere) 아키텍처에 새로운 연산모드인 TF32를 추가, AI 훈련 가속화를 지원한다./엔비디아

TF32는 반정밀도(FP16) 수학과 동일한 10비트 가수를 사용하면서 AI 워크로드에서 요구되는 정밀도를 충분히 충족시킨다. 이와 동시에 TF32는 FP32와 동일한 8비트 지수를 사용하므로 동일한 숫자 범위를 지원할 수 있다. 이 조합을 통해 단정밀도수학과 대규모 곱셈 누적 연산을 충분히 대체할 수 있다. 대규모 곱셈 누적 연산은 딥 러닝과 많은 HPC 애플리케이션에서 핵심적인 역할을 한다.

특히 엔비디아 라이브러리를 사용하는 애플리케이션으로 코드 변경없이 TF32의 이점을 활용할 수 있다. TF32 텐서 코어는 FP32 인풋에서 작동하며 FP32에서 결과를 도출한다. 비행렬연산에서도 FP32를 사용한다.

A100은 최대 성능을 내기위해 16bit 연산 기능이 강화돼 FP16과 BF16을 TF32의 두 배 비율로 지원한다. 사용자는 자동혼합정밀도(Automatic Mixed Precision)을 사용해 몇 줄의 코드만으로 2배 높은 성능을 얻을 수 있다.

TF32는 가장 까다로운 대화형 AI 모델 중 하나인 BERT를 FP32 대비 6배 빨리 훈련시킨다. 행렬연산에 의존하는 AI 훈련과 HPC 애플리케이션의 애플리케이션-레벨 결과는 워크로드에 따라 다를 것이다. TF32의 정확성을 검증하기 위해 컴퓨터 비전부터 자연어 처리, 추천 시스템까지 다양한 애플리케이션 분야에서 TF32를 AI 네트워크를 훈련하는데 활용했다. 그 결과 TF32는 FP32와 동일한 수준의 수렴-정확도를 보였다.

이에 엔비디아는 뉴럴 네트워크의 핵심 연산을 가속화하는 cuDNN 라이브러리의 기본값으로 TF32를 채택했다. 또 AI 프레임워크를 개발하는 오픈소스 커뮤니티와 협력해 A100 GPU에서도 TF32를 기본 교육 모드로 사용할 수 있도록 하고 있다. 개발자들은 6월부터 엔비디아 GPU 최적화 소프트웨어 허브인 엔비디아 GPU 클라우드(NGC)에서 TF32 지원 파이토치(PyTorch) 프레임워크 버전과 텐서플로우(TensorFlow) 프레임워크 버전을 사용할 수 있다.

케말 엘 무자 히드(Kemal El Moujahid) 텐서플로우 제품 관리 디렉터는 “TF32는 FP32 수준의 정확도를 유지하면서 AI 훈련과 추론용 애플리케이션의 성능을 획기적으로 개선한다"며 "우리는 텐서플로우에서 TF32을 기본적으로 지원해 데이터 사이언티스트들이 코드를 변경하지 않아도 엔비디아 A100 텐서 코어 GPU에서 획기적으로 빠른 속도를 경험할 수 있도록 할 것”이라고 말했다.

반복행렬수학 연산 알고리즘인 선형 솔버(linear solver)라고 불리는 HPC 애플리케이션들도 TF32의 이점을 활용할 수 있다. 이는 지구 과학, 유체 역학, 헬스케어, 재료 과학, 원자력뿐 아니라 석유와 가스 탐사 등 광범위한 분야에서 사용된다. FP32를 사용해 FP64 정밀도를 달성한 선형 솔버는 이미 30년 이상 사용됐다. 작년에 실시한 국제열핵융합실험로(ITER) 융합반응연구에서 혼합정밀법이 엔비디아 FP16 텐서 코어를 이용한 솔버들의 처리속도를 3.5배 향상시켰다는 점이 입증됐다. 이 연구에 사용된 동일한 기술을 통해 서밋(Summit) 슈퍼컴퓨터는 HPL-AI 벤치마크에서 성능이 3배 향상된 된 것으로 나타났다.

신형 솔버 외에도 HPC의 다른 도메인은 FP32 행렬연산을 사용한다. 

엔비디아는 업계와 협업해 현재 FP32을 사용하고 있는 곳에 TF32의 적용 사례를 늘려가며 연구할 계획이다.


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