Úvod	CUDA -+ OCL	AMD GPU	x86 CPU
oooo	ooooooooo	oooooooooo	ooooo
OpenCL
Jiří Filipovič
podzim 2012
Jiří Filipovič OpenCL
Uvod CUDA -+ OCL AMD GPU x86 CPU
•ooo ooooooooo oooooooooo ooooo
OpenCL
Co je OpenCL?
• otevřený standard pro programování heterogenních systémů
• nízkoúrovňový, odvozený od C, velmi podobná HW abstrakce jako CUDA
Výhody oproti CUDA
• možno programovat pro širokou škálu hardware
• otevřený standard, nezávislý na osudu jedné firmy Nevýhody oproti CUDA
• složitější API (podobné CUDA Driver API)
• mladší, obecně méně „dospělá" implementace
• pomalejší reflektování novinek v hardware
Jiří Filipovič OpenCL
Uvod CUDA -+ OCL AMD GPU x86 CPU
o«oo ooooooooo oooooooooo ooooo
Přenostelnost
Jedna implementace lze kompilovat pro různý HW
• nepoužíváme-li extenze
Implementace vyladěná projeden HW však může mít velmi nízký výkon na jiném
• přílišná rozdílnost HW vyžaduje odlišnou optimalizaci
OpenCL nám tedy umožňuje používat jeden standard pro programování široké škály HW, nicméně optimalizace se musíme naučit pro každý zvlášť.
• usnadňuje autotuning
Jiří Filipovič OpenCL
Uvod oo«o
CUDA -+ OCL ooooooooo
AMD GPU oooooooooo
x86 CPU ooooo
Přenostelnost výkonu
Obrázek: SGEMM optimalizované pro Fermi a Cypress, běh na Fermi1.
Du et al. From CUDA to OpenCL: Towards a Performance-portable Solution for Multi-platform GPU Programming < 1 ►      5 -O^O
Jiří Filipovič OpenCL
Uvod ooo»
CUDA -+ OCL ooooooooo
AMD GPU oooooooooo
x86 CPU ooooo
Jiří Filipovič OpenCL
Uvod CUDA -+ OCL AMD GPU x86 CPU
oooo »oooooooo oooooooooo ooooo
Hlavní rozdíly
OpenCL není integrováno s C/C++
• může být kompilováno za běhu, v kódu uložen OCL kernel jako řetězec
• nemůže sdílet části kódu s C/C++ (uživatelské typy, kód pro OCL i C atp.)
Kernely v OpenCL nepracují s klasickými ukazateli
• nelze dereferencovat, používat pointerovou aritmetiku, nelze přecházet mezi buffery
• v rámci bufferu se můžeme pohybovat pomocí offsetu OpenCL je odvozeno striktně od C
• žádné vlastnosti z C++
OpenCL ovládá různá zařízení pomocí front
• není třeba přepínat kontext
Fronty v OpenCL mohou být out-of-order
• umožňuje runtime balancování využití zdrgjů
Jiří Filipovič OpenCL
Uvod CUDA -+ OCL AMD GPU x86 CPU
oooo o«ooooooo oooooooooo ooooo
CUDA-OpenCL slovníček
Hlavní rozdíly v základní terminologii
CUDA	OpenCL
multiprocessor	compute unit
scalar procesor	processing element
thread	work-item
thread block	work-group
grid	ND Range
shared memory	local memory
Jiří Filipovič OpenCL
Uvod CUDA -+ OCL AMD GPU x86 CPU
oooo oo»oooooo oooooooooo ooooo
Součet vektorů - kernel
CUDA
__global__   void   addvec(float   *a,   float   *b ,   float   *c )
int i = blockldx.x*blockDim.x + threadldx.x; c[i]  = a[i] + b[i];
}
OpenCL
__kernel  void  vecadd(__global   float   * a,
__global  float  * c)
.global  float  * b,
int i = get_global_id(0); c[i]  = a[i] + b[i];
Jiří Filipovič OpenCL
Uvod CUDA -+ OCL AMD GPU x86 CPU
oooo ooo«ooooo oooooooooo ooooo
Součet vektorů - host kód
Ke spuštění kernelu potřebujeme
• definovat platformu
• zařízení (může být více)
• kontext
• fronty
• alokovat a nakopírovat příslušná data
• skompilovat kód kernelu
• nakonfigurovat běh kernelu a spustit jej
Jiří Filipovič OpenCL
Uvod CUDA -+ OCL AMD GPU x86 CPU
oooo oooo»oooo oooooooooo ooooo
Součet vektorů - definice platformy
cl_uint   nuni_devices_returned ; cl_device_id   cdDevice;
err = clGetDeviceIDs(NULL,   CL_DEVICE_TYPE_GPU, 1, &cdDevice ,  &num_devices_returiied ) ;
cl_context   hContext;
hContext = clCreateContext(0, 1, &cdDevice, NULL, NULL, &err ) ; cl_comniaiid_queue  hQueue ;
hQueue = clCreateCommandQueue(hContext ,   hDevice,   0,  &err ) ;
Jiří Filipovič OpenCL
Uvod CUDA -+ OCL AMD GPU x86 CPU
oooo ooooo«ooo oooooooooo ooooo
Součet vektorů - spuštění kernelu
Každá platforma může mít více zařízení
• lze vybrat nahrubo podle typu
• můžeme také upřednostnit výrobce
• jemnější dělení dle informací o HW
• počet jader
• frekvence
• velikost paměti
• rozšíření (dvojitá přesnost, atomické operace aj.) Každé zařízení musí mít alespoň jednu frontu
• jinak jej neumíme využít
Jiří Filipovič OpenCL
Uvod CUDA -+ OCL AMD GPU x86 CPU
oooo oooooo«oo oooooooooo ooooo
Součet vektorů - alokace a kopírování
cl_mem  hdA ,   hdB ,   hdC ;
hdA — clCreateBuffer(hContext,   CL_MEM_READ_ONLY, cnDiiensi on  *   sizeof(cl_float) ,   pA, 0);
Kopírovat není explicitně třeba - alokace a kopie dat funguje líně -až když jsou data potřeba. Není tedy ani nutno specifikovat zařízení, pro které data alokujeme.
Jiří Filipovič OpenCL
CUDA -+ OCL ooooooo«o
AMD GPU oooooooooo
x86 CPU ooooo
Součet vektorů - spuštění kernelu
const   unsigned   int   cnBlockSize = 512; const   unsigned   int   cnBlocks = 3;
const   unsigned   int   cnDimension = cnBlocks   * cnBlockSize; cl_program  hProgram;
hProgram = clCreateProgramWithSource(hContext,   1,   sProgramSource ,0, 0);
clBuildProgram(hProgram,   0,   0,   0,   0, 0); cl_kernel  hKernel;
hKernel = clCreateKernel(hProgram ,   "addvec", 0);
clSetKernelArg(hKernel, 0, sizeof(cl_mem), (void *)&hdA) clSetKernelArg(hKernel, 1, sizeof(cl_mem), (void *)&hdB ) clSetKernelArgfhKernel,   2 ,   sizeof(cl_mem),   (void  *)&hdC )
clEnqueueNDRangeKernel(hQueue,   hKernel,   1,   0,  &cnDimension , &cnBlockSize ,   0,   0,   0);
M -00,0
Jiří Filipovič OpenCL
Uvod CUDA -+ OCL AMD GPU x86 CPU
oooo oooooooo« oooooooooo ooooo
Součet vektorů - úklid
clReleaseKernel(hKernel); clReleaseProgram(hProgram ) ; clReleaseMemObj (hdA ) ; clReleaseMemObj (hclB ) ; clReleaseMemObj (hdC ) ; clReleaseCommandQueue(hQueue); clReleaseContext(hContext);
Jiří Filipovič OpenCL
Uvod CUDA -+ OCL AMD GPU x86 CPU
oooo ooooooooo »ooooooooo ooooo
Architektura AMD VLIW GPU
Starší procesory
• Evergreen a Northern Islands
Budeme se věnovat jen zásadním rozdílům oproti nVidia GPU
• ostatní aspekty shodné nebo velmi podobné Hlavní rozdíly
• VLIW architektura
• explicitně odděleny dvě cesty do paměti (rychlá a obecná)
• méně citlivé na nezarovnaný přístup, více citlivé na analogii partition campingu
• wavefront (analogie warpu) velikosti 64 vláken
Jiří Filipovič OpenCL
Uvod CUDA -+ OCL AMD GPU x86 CPU
oooo ooooooooo o«oooooooo ooooo
VLIW architektura
AMD GPU jsou VLIW procesory
• instrukční slovo obsahuje několik paralelně proveditelných operací
• statické plánování instrukcí (závislosti analyzovány v době kompilace)
• umožňuje vyšší hustotu ALU
• vlákna musí nabízet dostatek „instrukčního paralelismu" a kompilátor jej musí rozpoznat
• AMD GPU implementují VLIW-5 nebo VLIW-4, 1 instrukce SFU
Jiří Filipovič OpenCL
Uvod CUDA -+ OCL AMD GPU x86 CPU
oooo ooooooooo oo»ooooooo ooooo
Optimalizace pro VLIW
Explicitní užití vektorů
• pracujeme s vektorovými datovými typy (např. float4)
• generování VLIW instrukcí je pro kompilátor přímočaré Implicitní převod na VLIW
• můžeme psát také skalární kód
• kompilátor se snaží seskupit nezávislé instrukce
• můžeme mu v tom pomoci (unrolling a seskupení stejných operací)
Jiří Filipovič OpenCL
Uvod CUDA -+ OCL AMD GPU x86 CPU
oooo ooooooooo ooo«oooooo ooooo
Optimalizace pro VLIW
Problémy spojené s VLIW
• větší spotřeba on-chip paměti (unrolling, vektorové typy)
• nemusíme mít dost nezávislých instrukcí
• např. podmíněné výrazy
• spolu s velikostí wavefron t u dost citlivé na divergenci
Jiří Filipovič OpenCL
Úvod OOOO	CUDA -+ OCL ooooooooo	AMD GPU oooo«ooooo	x86 CPU ooooo
Přístup do	globální paměti		
Fast path vs. complete path
• fast path je výrazně rychlejší
• fast path používaná pro load/store 32-bitových čísel
• complete path používaná pro čísla jiné velikosti a atomické operace
• při operacích s globální pamětí musí explicitně rozlišit použitou cestu kompilátor
• cesta je stejná pro celý buffer, můžeme snadno znemožnit kompilátoru použít rychlou variantu
Jiří Filipovič OpenCL
Uvod CUDA -+ OCL AMD GPU x86 CPU
oooo ooooooooo ooooo«oooo ooooo
Fast path vs. complete path
__kernel void
CopyComplete(__global   const   float   *   input,   __global   float* output)
{
int  gid = get_global_id(0); if   (gid < 0){
atom_add((__global   int   *)   output ,1 ) ;
}
output[gid]  =  input[gid]; return ;
}
Rozdil rychlosti na Radeon HD 5870: 96GB/s vs. 18GB/s.
Jiří Filipovič OpenCL
Úvod                                       CUDA -+ OCL oooo ooooooooo	AMD GPU oooooo«ooo	x86 CPU ooooo
Nezarovnaný přístup		
Permutace mapování vlákno-element v rámci wavefrontu
• penalizace, ale malá (< 10%)
• lepši než c.c. < 1.2, mírně horší než c.c. > 1.2 Posun v rámci wavefrontu
• malá penalizace (< 10%)
• lepší než nVidia, pokud není využita cache Výhodnější přístup po 128-bitových elementech
• např. používáme-li float4
• kopírování 122 namísto 96GB/s u HD 5870
Jiří Filipovič OpenCL
Uvod CUDA -+ OCL AMD GPU x86 CPU
OOOO OOOOOOOOO OOOOOOOÍOO ooooo
Konflikty bank a kanálů
Analogie partition campingu
• do paměti přistupujeme přes banky a kanály
• v rámci wavefrontu je paralelní přístup přes stejný kanál (jinak serializujeme)
• mezi work-groupami je třeba přistupovat přes různé kanály
• Radeony řady 5000 mají kanály prokládané po 256 bytech
• wavefront čtoucí souvislý blok 32-bitových elementů čte paralelně z téhož kanálu
• jednotlivé wavefronty pak čtou z rozdílných kanálů čtou-li souvislou oblast
• uspořádání bank závisí na počtu kanálů
• např. 8 kanálů - banky se střídají každé 2KB
• vysoká penalizace za čtení ze stejného kanálu a stejné banky (např. 0.3 vs 93 GB/s)
Jiří Filipovič OpenCL
Uvod CUDA -+ OCL AMD GPU x86 CPU
oooo ooooooooo oooooooo«o ooooo
Lokální paměť
Lokální paměť velmi podobná sdílené paměti u nVidie
• organizována do 32 nebo 16 bank
• je třeba přistupovat ve čtvrtinách wavefrontu do rozdílných bank
• jinak vzniká konflikt bank
• v případě 32 bank používat efektivně i float2
• broadcast je podporován pro jednu hodnotu (analogie c.c. 1.x)
Jiří Filipovič OpenCL
Úvod                                       CUDA -+ OCL oooo ooooooooo	AMD GPU OOOOOOOOO*	x86 CPU ooooo
Architektura AMD GCN GPU		
Aktuální architektura (Sourthern Islands, také Graphic Core Next). Významná změna oproti předchozí generaci
• není VLIW, compute unit obsahuje 1 skalární procesor a 4 vektorové procesory
• kód vláken píšeme skalárně, vektorové operace se obvykle nevyplatí
• podmíněné výrazy přináši menší penalizaci
• LI cache pro čtení i zápis
• na GPU může běžet více kernelů současně
Jiří Filipovič OpenCL
Uvod CUDA -+ OCL AMD GPU x86 CPU
oooo ooooooooo oooooooooo «oooo
CPU a OpenCL
Dnešní CPU z pohledu OpenCL
• compute units odpovídají jádrům
• processing elements elementům ve vektorových registrech
• počet processing elements v compute unit tedy určuje použitý datový typ (2-16 pro SSE)
• tomu odpovídá i počet vláken běžících v lock-step (analogie warpu/wavefrontu)
• jedna work-group se mapuje na jedno CPU vlákno
• je vhodné mít minimálně tolik work-group, kolik máme jader
• více work-group usnadňuje balancování zátěže, ale vytváří overhead
• jednotlivé work-item běží ve vektorových instrukcích, nebo sériově
• úlohový paralelismus - využíváme více front
Jiří Filipovič OpenCL
Uvod CUDA -+ OCL AMD GPU x86 CPU
oooo ooooooooo oooooooooo oaooo
Implicitní a explicitní vektorizace
Implicitní vektorizace
• píšeme kód podobně jako pro GPU
• kompilátor sám vytváří vektorové instrukce ze skupin work-item
• potenciálně lépe přenositelné (nezajímá nás délka vektorů u konkrétního CPU, ani bohatost instrukční sady)
• podporuje OpenCL od Intelu, AMD zatím neumí Explicitní vektorizace
• v kódu explicitně používáme vektorové datové typy
• méně pohodlné a více svázané s konkrétní architekturou
• potenciálně vyšší výkon (nejsme omezeni tím co rozliší kompilátor)
Jiří Filipovič OpenCL
Uvod CUDA -+ OCL AMD GPU x86 CPU
oooo ooooooooo oooooooooo oo«oo
Paralelismus na úrovni work-group
Jak zvolit velikost work-group
• nepotřebujeme větší paralelismus pro maskování latence paměti
• počet work-items alespoň na úrovni šířky vektoru (pro implicitní vektorizaci)
• více work-items v principu nevadí, pokud nepoužíváme bariéry
• Intel doporučuje 64-128 work-items bez synchronizací, pokud synchronizujeme tak 32-64
• v současné implementaci implicitní vektorizace Intelu musí být velikost work-group dělitelná 4 pro Nahalem a 8 pro Sandy Bridge
• velikost work-group lze nespecifikovat, určí ji pak kompilátor
Jiří Filipovič OpenCL
Úvod OOOO	CUDA -+ OCL ooooooooo	AMD GPU oooooooooo	x86 CPU oooao
Další	rozdíly oproti CPU		
Images
• CPU nepodporuje funkce texturových jednotek, ty jsou emulovány
• pokud nepotřebujeme, je lepší nepoužívat Lokální paměť
• pro CPU neodpovídá žádné HW paměti
• používání přináší overhead (kopírování tam a zpět)
• má smysl používat podobné vzory přístupu do paměti, jako kdybychom lokální paměť měli (cache lokalita)
Jiří Filipovič OpenCL
Uvod CUDA -+ OCL AMD GPU x86 CPU
oooo ooooooooo oooooooooo oooo*
Další rozdíly oproti CPU
Přístup do globální paměti
• velké cache, je třeba správně využívat Lokalita
• chceme co nejvíce využívat data uložená v cache
• více úrovní cache, lze využít hierarchické shlukování přístupu Organizace cache
• velikost řádku cache (kolik dat čteme současně)
• velikost celé cache (kolik dat udržíme)
• asociativita (jak efektivně jsme schopni mapovat paměť do cache)
Jiří Filipovič OpenCL