The Discrete Fourier Transform (DFT) is essential for various applications ranging from signal processing to convolution and polynomial multiplication. The groundbreaking Fast Fourier Transform (FFT) algorithm reduces DFT time complexity from the naive O(n^2) to O(n log n), and recent works have sought further acceleration through parallel architectures such as GPUs. Unfortunately, accelerators such as GPUs cannot exploit their full computing capabilities as memory access becomes the bottleneck. Therefore, this paper accelerates the FFT algorithm using digital Processing-in-Memory (PIM) architectures that shift computation into the memory by exploiting physical devices capable of storage and logic (e.g., memristors). We propose an O(log n) in-memory FFT algorithm that can also be performed in parallel across multiple arrays for high-throughput batched execution, supporting both fixed-point and floating-point numbers. Through the convolution theorem, we extend this algorithm to O(log n) polynomial multiplication - a fundamental task for applications such as cryptography. We evaluate FourierPIM on a publicly-available cycle-accurate simulator that verifies both correctness and performance, and demonstrate 5-15x throughput and 4-13x energy improvement over the NVIDIA cuFFT library on state-of-the-art GPUs for FFT and polynomial multiplication.


翻译:离散傅里叶变换(DFT)对于从信号处理到卷积和多项式乘法等各类应用至关重要。开创性的快速傅里叶变换(FFT)算法将DFT的时间复杂度从朴素O(n^2)降低至O(n log n),而近期研究试图通过GPU等并行架构进一步加速。然而,由于内存访问成为瓶颈,GPU等加速器无法发挥其全部计算能力。为此,本文利用数字处理-在-内存(PIM)架构加速FFT算法——该架构通过利用兼具存储与逻辑功能的物理器件(如忆阻器)将计算移入内存。我们提出一种O(log n)内存内FFT算法,该算法还能跨多个阵列并行执行以实现高吞吐批处理,并支持定点数与浮点数。通过卷积定理,我们将该算法扩展至O(log n)多项式乘法——这一基本任务对密码学等应用至关重要。我们在公开的周期精确模拟器上对FourierPIM进行评估,验证其正确性与性能,并证明在FFT和多项式乘法任务中,相较于最先进GPU上的NVIDIA cuFFT库,可获得5-15倍的吞吐量提升与4-13倍的能效改善。

0
下载
关闭预览

相关内容

【硬核书】稀疏多项式优化:理论与实践,220页pdf
专知会员服务
73+阅读 · 2022年9月30日
【硬核书】矩阵代数基础,248页pdf
专知会员服务
88+阅读 · 2021年12月9日
Python图像处理,366页pdf,Image Operators Image Processing in Python
抢鲜看!13篇CVPR2020论文链接/开源代码/解读
专知会员服务
50+阅读 · 2020年2月26日
征稿 | International Joint Conference on Knowledge Graphs (IJCKG)
开放知识图谱
2+阅读 · 2022年5月20日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
TorchSeg:基于pytorch的语义分割算法开源了
极市平台
20+阅读 · 2019年1月28日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
【推荐】深度学习目标检测概览
机器学习研究会
10+阅读 · 2017年9月1日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2023年5月23日
Arxiv
0+阅读 · 2023年5月21日
Simplifying Graph Convolutional Networks
Arxiv
12+阅读 · 2019年2月19日
VIP会员
最新内容
无人机自主控制与人工智能:系统性综述
专知会员服务
2+阅读 · 今天7:25
巡飞弹与反无人机系统——现代战场的两大支柱
专知会员服务
1+阅读 · 今天6:54
《打造“黄金舰队”》57页报告
专知会员服务
1+阅读 · 今天6:52
《北约数字教官网络发展路径》128页报告
专知会员服务
1+阅读 · 今天6:33
ECCV 2026 | MIMFlow:MIM与归一化流统一图像生成
专知会员服务
6+阅读 · 6月25日
网状网络及其在军事领域的运用
专知会员服务
7+阅读 · 6月25日
无美国参与的欧洲战争方式(万字长文)
专知会员服务
8+阅读 · 6月25日
《国防领域敏感性分析白皮书》
专知会员服务
9+阅读 · 6月25日
综述 | 从问答到任务完成:Agent系统与Harness设计
Agentic RL:框架、实践与长程智能体训练
专知会员服务
10+阅读 · 6月24日
相关资讯
征稿 | International Joint Conference on Knowledge Graphs (IJCKG)
开放知识图谱
2+阅读 · 2022年5月20日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
TorchSeg:基于pytorch的语义分割算法开源了
极市平台
20+阅读 · 2019年1月28日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
【推荐】深度学习目标检测概览
机器学习研究会
10+阅读 · 2017年9月1日
相关基金
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员