這是 標(biāo)準(zhǔn)并行編程 系列的第三篇文章，講述在標(biāo)準(zhǔn)語言中使用并行性來加速計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)。

用標(biāo)準(zhǔn)語言并行性開發(fā)加速代碼

多個(gè) GPU 標(biāo)準(zhǔn) C ++并行編程，第 1 部分

在第 1 部分中，我們解釋了：

C ++并行編程的基礎(chǔ)

格子玻爾茲曼方法（ LBM ）

采取了第一步來重構(gòu) PalabOS 庫，以使用標(biāo)準(zhǔn) C ++高效地運(yùn)行 GPU 。

在這篇文章中，我們繼續(xù)優(yōu)化 ISOC ++算法的性能，然后使用 MPI 來跨多個(gè) GPU 來縮放應(yīng)用。

爭(zhēng)取最佳性能

期望 CPU 到 GPU 端口的性能低于專用 HPC 代碼的性能似乎很自然。畢竟，您受到軟件體系結(jié)構(gòu)、已建立的 API 的限制，以及考慮用戶群期望的復(fù)雜額外功能的需要。不僅如此， C ++標(biāo)準(zhǔn)并行化的簡(jiǎn)單編程模型允許比專用語言（如 CUDA ）更少的手動(dòng)微調(diào)。

在現(xiàn)實(shí)中，通常可以將這種性能損失控制和限制到可以忽略不計(jì)的程度。關(guān)鍵是分析各個(gè)代碼部分的性能指標(biāo)，消除不能反映軟件框架實(shí)際需求的性能瓶頸。

一個(gè)好的做法是為數(shù)值算法的核心組件維護(hù)一個(gè)單獨(dú)的原理證明代碼。這種方法的性能可以更自由地優(yōu)化，并與完整、復(fù)雜的軟件框架（如 Palabos 中的 STLBM library ）進(jìn)行比較。此外，像nvprof這樣支持 GPU 的探查器可以有效地突出性能瓶頸的根源。

以下建議重點(diǎn)介紹了典型的性能問題及其解決方案：

不要觸摸 CPU 上的數(shù)據(jù)

了解你的算法

建立績(jī)效模型

不要觸摸 CPU 上的數(shù)據(jù)

性能損失的一個(gè)常見原因是 CPU 和 GPU 內(nèi)存之間的隱藏?cái)?shù)據(jù)傳輸，這可能非常慢。在 CUDA 統(tǒng)一內(nèi)存模型中，每當(dāng)您從 CPU 訪問 GPU 數(shù)據(jù)時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種類型的傳輸。觸摸單個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)可能會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的性能損失，因?yàn)檎麄€(gè)內(nèi)存頁都是一次性傳輸?shù)摹?/p>

顯而易見的解決方案是盡可能只在 GPU 上操作數(shù)據(jù)。這需要仔細(xì)搜索代碼中所有對(duì)數(shù)據(jù)的訪問，然后將它們包裝成并行算法調(diào)用。雖然這有點(diǎn)健壯，但即使是最簡(jiǎn)單的操作也需要這個(gè)過程。

顯而易見的地方是數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的后處理操作或中間評(píng)估。另一個(gè)經(jīng)典的性能瓶頸出現(xiàn)在 MPI 通信層，因?yàn)槟仨氂涀≡?GPU 上執(zhí)行數(shù)據(jù)打包和解包操作。

在 GPU 上表達(dá)算法說起來容易做起來難，因?yàn)閒or_each和transform_reduce的形式主義主要適用于結(jié)構(gòu)均勻的內(nèi)存訪問。

在不規(guī)則數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的情況下，使用這兩種算法避免競(jìng)爭(zhēng)條件并保證合并的內(nèi)存訪問是痛苦的。在這種情況下，您應(yīng)該繼續(xù)執(zhí)行下一個(gè)建議，熟悉 C ++中提供的并行算法的家族。

了解你的算法

到目前為止，并行 STL 似乎只不過是一種用奇特的函數(shù)語法表達(dá)parallel for loops的方式。實(shí)際上， STL 提供了for_each和transform_reduce之外的大量算法，這些算法對(duì)表達(dá)數(shù)值方法非常有用，包括排序和搜索算法。

exclusive_scan算法計(jì)算累積和，值得特別提及，因?yàn)樗蛔C明通常對(duì)非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的重新索引操作非常有用。例如，考慮 MPI 通信的打包算法，其中預(yù)先由每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)貢獻(xiàn)給通信緩沖器的變量的數(shù)目是未知的。在這種情況下，需要線程之間的全局通信來確定每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)寫入緩沖區(qū)的索引。

下面的代碼示例顯示了如何使用并行算法在 GPU 上以良好的并行效率解決此類問題：

// Step 1： compute the number of variables contributed by every node.

int* numValuesPtr = allocateMemory（numberOfCells）;

for_each（execution：：par_unseq， numValuesPtr， numValuesPtrl + numberOfCells， ［=］（int& numValues）

{ int i = &numValues - numValuesPtr; // Compute number of variables contributed by current node. numValues = computeNumValues（i）;

} ）;

// 2. Compute the buffer index for every node.

int* indexPtr = allocateMemory（numberOfCells）;

exclusive_scan（execution：：par_unseq， numValuesPtr， numValuesPtr + numberOfCells， indexPtr， 0）;

// 3. Pack the data into the buffer.

for_each（execution：：par_unseq， indexPtr， indexPtr + numberOfCells， ［=］（int& index）

{ int i = &index - indexPtr; packCellData（i， index）;

} ）;

這個(gè)例子讓你享受到基于算法的 GPU 編程方法的表達(dá)能力：代碼不需要同步指令或任何其他低級(jí)構(gòu)造。

建立績(jī)效模型

性能模型通過瓶頸分析為算法的性能建立上限。這通常將峰值處理器性能（以觸發(fā)器為單位）和峰值內(nèi)存帶寬視為限制硬件特性的主要因素。

正如在上一篇文章的示例：Lattice Boltzmann 軟件 Palabos 部分中所討論的，LBM 代碼的計(jì)算與內(nèi)存訪問的比率較低，并且在現(xiàn)代 GPU 上完全受內(nèi)存限制。也就是說，至少如果您使用單精度算術(shù)或?yàn)殡p精度算術(shù)優(yōu)化的 GPU。

峰值性能簡(jiǎn)單地表示為 GPU 的內(nèi)存帶寬與代碼中執(zhí)行的內(nèi)存訪問次數(shù)之間的比率。直接的結(jié)果是，將 LBM 代碼從雙精度算術(shù)轉(zhuǎn)換為單精度算術(shù)將使性能加倍。

圖 1 顯示了在 NVIDIA A100 （ 40 GB ） GPU 上獲得的 Palabos GPU 端口在單精度和雙精度浮點(diǎn)上的性能。

圖 1 。 3D 蓋驅(qū)動(dòng)腔體的 Palabos 性能（ 6003網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)）在 A100 （ 40 GB ） GPU 上以單精度和雙精度運(yùn)行。型號(hào)： TRT ， D3Q19

執(zhí)行的測(cè)試用例是湍流狀態(tài)下蓋驅(qū)動(dòng)腔中的流動(dòng)，具有簡(jiǎn)單的立方幾何結(jié)構(gòu)。然而，這種情況包括邊界條件，并表現(xiàn)出復(fù)雜的流動(dòng)模式。性能以每秒百萬次晶格節(jié)點(diǎn)更新（ MLUPS ，越多越好）來衡量，并與假設(shè) GPU 內(nèi)存在峰值容量下被利用的理論峰值進(jìn)行比較。

該代碼在雙精度下達(dá)到 73% 的峰值性能，在單精度下達(dá)到 74% 。這種性能指標(biāo)在 LB 模型的最新實(shí)現(xiàn)中很常見，與所使用的語言或庫無關(guān)。

盡管一些實(shí)現(xiàn)可能會(huì)增加幾個(gè)百分點(diǎn)，并達(dá)到接近 80% 的值，但很明顯，我們正在接近性能模型隱含的硬限制。從大的角度來看，代碼的單 – GPU 性能是最好的。

重用現(xiàn)有的 MPI 后端以獲得多 GPU 代碼

當(dāng) C ++并行算法無縫地集成到現(xiàn)有的軟件項(xiàng)目中以加速關(guān)鍵代碼部分時(shí)，沒有什么能阻止您重用項(xiàng)目的通信后端以達(dá)到多 GPU 性能。但是，您需要密切關(guān)注通信緩沖區(qū)，確保它不會(huì)繞過 CPU 內(nèi)存，這將導(dǎo)致代價(jià)高昂的頁面錯(cuò)誤。

我們首次嘗試在多個(gè) GPU 上運(yùn)行帶有 GPU 端口的 Palabos 版本，雖然產(chǎn)生了技術(shù)上正確的結(jié)果，但沒有表現(xiàn)出可接受的性能。不是加速，而是從 1 切換到 2 GPU 將速度降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)。這個(gè)問題可以追溯到通信數(shù)據(jù)的打包和解包。在最初的后端，這是在 CPU 上執(zhí)行的，并且是在 CPU 內(nèi)存中的其他不必要數(shù)據(jù)訪問實(shí)例上執(zhí)行的，例如調(diào)整通信緩沖區(qū)的大小。

這些問題可以在探查器的幫助下發(fā)現(xiàn)。分析器會(huì)突出顯示統(tǒng)一內(nèi)存中出現(xiàn)的所有頁面錯(cuò)誤，并通過將相應(yīng)的代碼部分移動(dòng)到并行算法來修復(fù)。“了解你的算法”部分解釋了如果數(shù)據(jù)遵循不規(guī)則模式，如何打包和解包通信緩沖區(qū)。

在這一點(diǎn)上，使用標(biāo)準(zhǔn)的 C ++，除了 MPI 以外沒有任何擴(kuò)展，您可以獲得一個(gè)混合 CPU / GPU 軟件項(xiàng)目，具有最先進(jìn)的性能，在單 G GPU 和多 GPU 上的并行性能。

不幸的是，由于語言規(guī)范和相應(yīng)的 GPU 實(shí)現(xiàn)的當(dāng)前限制，多 GPU 性能仍然低于預(yù)期。在未來的 C ++技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)并行化技術(shù)的改進(jìn)中，我們將基于 C ++標(biāo)準(zhǔn)之外的技術(shù)提供一些解決方案。

協(xié)調(diào)多 CPU 和多 GPU 代碼的執(zhí)行

雖然這篇文章主要關(guān)注混合 CPU 和 GPU 編程，但我們無法避免在 CPU 部分討論混合并行性（ MPI 或多線程）問題。

例如， Palabos 的原始版本是非混合的，它使用 MPI 通信層在 CPU 的核心之間以及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中分配工作。移植到 GPU 后，生成的多 CPU 和多 GPU 代碼會(huì)自動(dòng)將單個(gè) CPU 內(nèi)核與每個(gè) MPI 任務(wù)中的完整 GPU 進(jìn)行分組，使 CPU 的動(dòng)力相對(duì)不足。

每當(dāng)需要或方便將計(jì)算密集型任務(wù)保留在 CPU 上時(shí)，這會(huì)導(dǎo)致性能瓶頸。在流體動(dòng)力學(xué)中，在預(yù)處理階段（如幾何體處理或網(wǎng)格生成）通常會(huì)出現(xiàn)這種情況。

顯而易見的解決方案是使用多線程從 MPI 任務(wù)中訪問多個(gè) CPU 內(nèi)核。這些線程的共享內(nèi)存空間可以通過 CUDA 統(tǒng)一內(nèi)存形式直接與 GPU 共享。

然而， C ++并行算法不能被重用以服務(wù)于 GPU 和多核 CPU 執(zhí)行的兩個(gè)目的。這是因?yàn)?C ++不允許從語言內(nèi)選擇并行算法的目標(biāo)平臺(tái)。

雖然 C ++線程確實(shí)提供了一種解決這個(gè)問題的方法，但我們發(fā)現(xiàn) OpenMP 提供了最方便和最不受干擾的解決方案。在這種情況下，for loop的 OpenMP 注釋足以將分配給當(dāng)前 MPI 任務(wù)的網(wǎng)格部分分布到多個(gè)線程上。

通過固定內(nèi)存進(jìn)行通信

在當(dāng)前版本的 HPC SDK 中， CUDA 統(tǒng)一內(nèi)存模型與 MPI 相結(jié)合，表現(xiàn)出另一個(gè)性能問題。

由于 MPI 通信層希望數(shù)據(jù)具有固定的硬件地址（所謂的pinned memory），因此托管內(nèi)存區(qū)域中的任何緩沖區(qū)都會(huì)首先隱式復(fù)制到主機(jī) CPU 上的固定內(nèi)存緩沖區(qū)中。由于 GPU 和 CPU 之間的傳輸，此操作最終可能會(huì)非常昂貴。

因此，通信緩沖區(qū)應(yīng)明確固定到 GPU 內(nèi)存地址。對(duì)于nvc++ compiler，這是通過使用cudaMalloc分配通信緩沖區(qū)來實(shí)現(xiàn)的：

// Allocate the communication buffer

// vector《double》 buffer（N）;

// double* buffer = buffer.data（）;

double* buffer; cudaMalloc（（void**）&buffer， N * sizeof（double））;

for_each（buffer， buffer + N， … // Proceed with data packing

另一種解決方案是用推力庫中的thrust：：device_vector替換 STL 向量，默認(rèn)情況下，推力庫使用固定 GPU 內(nèi)存。

在不久的將來， HPC SDK 將為用戶更高效、更自動(dòng)地處理這些情況。這樣他們就不必伸手去拿cudaMalloc或thrust：：device_vector。所以，請(qǐng)繼續(xù)關(guān)注！

在本文列出的各種改進(jìn)之后， Palabos 庫在一個(gè)帶有四個(gè) GPU 的 DGX A100 （ 40-GB ）工作站上進(jìn)行了測(cè)試，再次用于蓋驅(qū)動(dòng)型腔的基準(zhǔn)情況。獲得的性能如圖 2 所示，并與 48 核 Xeon Gold 6240R CPU 上獲得的性能進(jìn)行了比較：

圖 2 。 3D 蓋驅(qū)動(dòng)腔體的 Palabos 性能（ 6003網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)）在 48 核 Xeon Gold 6240R CPU 和 DGX A100 （ 40 GB ）工作站上，一次使用一個(gè) GPU ，一次使用四個(gè) GPU 。型號(hào)： TRT ， D3Q19 ，單精度

對(duì)于 Xeon Gold ， Palabos 的原始實(shí)現(xiàn)被證明更高效，并用于 48 個(gè) MPI 任務(wù)，而單 GPU 和四 GPU 執(zhí)行使用并行算法后端，并使用nvc++編譯。

性能數(shù)據(jù)顯示，與單次執(zhí)行 GPU 相比， 4- GPU 執(zhí)行的速度提高了 3.27 倍。這相當(dāng)于一個(gè)非常令人滿意的并行效率 82% ，在一個(gè)強(qiáng)大的擴(kuò)展機(jī)制，在兩個(gè)執(zhí)行相同的總域大小。在弱擴(kuò)展情況下，使用 4 倍于 4- GPU 執(zhí)行的問題大小，加速比增加到 3.72 （效率 93% ）。

圖 2 還顯示，當(dāng)使用未固定的通信緩沖區(qū)時(shí)，例如當(dāng) MPI 通信緩沖區(qū)未分配cudaMalloc時(shí)，并行效率從 82% 下降到 61% 。

最終，四 GPU DGX 工作站的運(yùn)行速度比 Xeon Gold CPU 快 55 倍。雖然由于兩臺(tái)機(jī)器的范圍不同，直接比較可能不公平，但它提供了通過將代碼移植到 GPU 獲得的加速度感。 DGX 是一個(gè)連接到公共電源插頭的臺(tái)式工作站，但它提供的性能在 CPU 群集上只能通過數(shù)千個(gè) CPU 內(nèi)核獲得。

結(jié)論

您已經(jīng)看到 C ++標(biāo)準(zhǔn)語言并行性可以用來把像 PalabOS 這樣的庫移植到 GPU ，代碼性能驚人地提高。

對(duì)于 Palabos 庫的最終用戶來說，這種性能提升是通過一行更改來實(shí)現(xiàn)的，即從 CPU 后端切換到 GPU 后端。

對(duì)于 Palabos 庫開發(fā)人員來說，開發(fā)相應(yīng)的 GPU 后端需要做一些工作。

然而，這項(xiàng)工作不需要學(xué)習(xí)新的領(lǐng)域特定語言，也不依賴于 GPU 體系結(jié)構(gòu)的詳細(xì)知識(shí)。

關(guān)于作者

Jonas Latt 是瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系的副教授。他從事高性能計(jì)算和計(jì)算流體力學(xué)的研究，并在包括地球物理、生物醫(yī)學(xué)和航空航天領(lǐng)域在內(nèi)的跨學(xué)科領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。他是 lattice Boltzmann 復(fù)雜流動(dòng)模擬開源軟件 Palabos 的最初開發(fā)者和當(dāng)前共同維護(hù)者。他以前在日內(nèi)瓦大學(xué)獲得物理學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)博士學(xué)位，并通過塔夫斯大學(xué)（波士頓，美國）和綜合理工學(xué)校 F.E.EdRaelde 洛桑 EPFL （瑞士）的研究，并作為 CFD 公司 FuluKIT 的聯(lián)合創(chuàng)始人，對(duì)流體力學(xué)感興趣。

Christophe Guy Coreixas 是一名航空工程師， 2014 年畢業(yè)于 ISAE-SUPAERO （法國圖盧茲）。 2018 年，他在 CERFACS 從事面向行業(yè)應(yīng)用的可壓縮晶格玻爾茲曼方法研究時(shí)獲得了博士學(xué)位（流體動(dòng)力學(xué)）。作為日內(nèi)瓦大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系的博士后，克里斯多夫現(xiàn)在開發(fā)格子玻爾茲曼模型來模擬航空、多物理和生物醫(yī)學(xué)流程。

Gonzalo Brito 是 NVIDIA 計(jì)算性能與 HPC 團(tuán)隊(duì)的高級(jí)開發(fā)技術(shù)工程師，工作于硬件和軟件的交叉點(diǎn)。他熱衷于讓加速計(jì)算變得更容易實(shí)現(xiàn)。在加入NVIDIA 之前，岡薩洛在 RWTH 亞琛大學(xué)空氣動(dòng)力學(xué)研究所開發(fā)了多物理方法，用于顆粒流。

Jeff Larkin 是 NVIDIA HPC 軟件團(tuán)隊(duì)的首席 HPC 應(yīng)用程序架構(gòu)師。他熱衷于高性能計(jì)算并行編程模型的發(fā)展和采用。他曾是 NVIDIA 開發(fā)人員技術(shù)小組的成員，專門從事高性能計(jì)算應(yīng)用程序的性能分析和優(yōu)化。 Jeff 還是 OpenACC 技術(shù)委員會(huì)主席，曾在 OpenACC 和 OpenMP 標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)工作。在加入NVIDIA 之前，杰夫在位于橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的克雷超級(jí)計(jì)算卓越中心工作。

審核編輯：郭婷