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高速化勉強メモ

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CPU, GPU高速化の勉強用メモ

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CUDA参考資料

開発者向けCUDA資料
CUDAを一枚の絵にまとめてみた
CUDA で一時領域の確保・破棄を回避して速度低下を防ぐ
プロセッサ開発のセンス　～第4回　ベクトル・プロセッサ～
CUDA課題 cufft
数行のC++コードでCUDAの画像処理を行う
いまさら聞けない！CUDA高速化入門

SIMD参考資料

Intel® Intrinsics Guide
AVX/AVX2/AVX512 Advent Calendar 2021まとめ
SIMDプログラミング入門(AVX-512から始める編)
SIMDの組み込み関数のことはじめ
CUDA v11.2.0個人ブログの訳
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SIMD 命令比較
Intel Intrinsics SIMDのシャッフル系操作まとめ

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ボトルネック解析参考資料

perf statでL1,L2(,L3)キャッシュミス測定
NVIDIA Nsight Systems
[サンプルコード付き]NVIDIA Nsight Systemsの使い方 (for Linux)　〜CPU-GPU間の同期の確認〜
Cachegrind
Intel Vtune Profiler
VTune Profilerで性能のボトルネックを特定する方法について

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SIMD勉強メモ

CPUの対応の確認

以下リンクを参考に拡張命令がどこまで対応しているかチェック
自身のパソコンではAVX2までは対応していたため、本拡張命令でSIMD実装の勉強を進める
Windows: 自分のパソコンが拡張命令 (AVX-512等)に対応しているか確認する方法

AVX2コードでの置き換え

勉強のため、以下リンクのAVX512コードをAVX2コードで書き換える
SIMDプログラミング入門(AVX-512から始める編)[1]

書き換えたコードは以下
本書き換えではmaskはしていない。maskをしたとしても出力結果の書き込み時に配列外参照を起こすのでは？と考えたため。
このため、dst_widthは8の倍数が前提となる。

void scale_nn_simd(int32_t* src, int src_width, int src_height, int32_t* dst, int dst_width, int dst_height)
{
    __m256 scale_w = _mm256_set1_ps((float)src_width / dst_width);
    __m256 scale_h = _mm256_set1_ps((float)src_height / dst_height);
    for (int y = 0; y < dst_height; y++) {
        __m256i v_x = _mm256_set_epi32(7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 0);
        for (int x = 0; x < dst_width; x+=8) {
            __m256 v = _mm256_cvtepi32_ps(v_x);
            __m256 x0f = _mm256_mul_ps(v, scale_w);
            __m256 y0f = _mm256_mul_ps(_mm256_set1_ps((float)y), scale_h);
            __m256i x0 = _mm256_cvtps_epi32(x0f);
            __m256i y0 = _mm256_cvtps_epi32(y0f);

            __m256i src_index = _mm256_add_epi32(_mm256_mullo_epi32(_mm256_set1_epi32(src_width), y0), x0);
            __m256i data = _mm256_i32gather_epi32(src, src_index, 4);
            _mm256_storeu_epi32(dst + dst_width * y + x, data);

            v_x = _mm256_add_epi32(v_x, _mm256_set1_epi32(8));
        }
    }
}

書き換える中で気になった点

  • AVX2の命令セットではAVX512と同じバイト単位の処理がない？
    • AVX512は対応CPU次第だが存在
    • 上記のため、元のコードはuint8_tの方が使えている
    • SIMDの命令だと_mm512_mask_cvtepi32_storeu_epi8と_mm512_mask_i32gather_epi32の2つ
  • AVX2の命令セットではAVX512と同じ丸めを指定する処理がない？
    • AVX512は丸めを指定できている
    • 書き換えたコードは指定できていない
    • 上記のため、AVX512とバイナリレベルで出力結果は一致していないと考えられる

さらに高速化

CPUでもスレッド毎の処理が可能なため、雑だがOpenMPのループを適用
自環境では2倍弱改善。内側ループに対しては悪化。

void scale_nn_simd(int32_t* src, int src_width, int src_height, int32_t* dst, int dst_width, int dst_height)
{
    __m256 scale_w = _mm256_set1_ps((float)src_width / dst_width);
    __m256 scale_h = _mm256_set1_ps((float)src_height / dst_height);
#pragma omp parallel for
    for (int y = 0; y < dst_height; y++) {
        for (int x = 0; x < dst_width; x+=8) {
            __m256i v_x = _mm256_set_epi32(x+7, x+6, x+5, x+4, x+3, x+2, x+1, x);
            __m256 v = _mm256_cvtepi32_ps(v_x);
            __m256 x0f = _mm256_mul_ps(v, scale_w);
            __m256 y0f = _mm256_mul_ps(_mm256_set1_ps((float)y), scale_h);
            __m256i x0 = _mm256_cvtps_epi32(x0f);
            __m256i y0 = _mm256_cvtps_epi32(y0f);

            __m256i src_index = _mm256_add_epi32(_mm256_mullo_epi32(_mm256_set1_epi32(src_width), y0), x0);
            __m256i data = _mm256_i32gather_epi32(src, src_index, 4);
            _mm256_storeu_epi32(dst + dst_width * y + x, data);
        }
    }
}

書き換える中で気になった点

  • 2重ループの場合、外側ループでは効果を発揮しにくいと考えていたが違った
    • 内側に適用するとスレッド分割数がループ数に対して小さいため、SIMDでのキャッシュヒットが悪くなっている？
    • 以下の1重ループと同等の処理になっていると推測
void scale_nn_simd(int32_t* src, int src_width, int src_height, int32_t* dst, int dst_width, int dst_height)
{
    __m256 scale_w = _mm256_set1_ps((float)src_width / dst_width);
    __m256 scale_h = _mm256_set1_ps((float)src_height / dst_height);
#pragma omp parallel for
    for (int i = 0; i < dst_height * dst_width; i += 8) {
        int y = i / dst_width;
        int x = i % dst_width;
        __m256i v_x = _mm256_set_epi32(x + 7, x + 6, x + 5, x + 4, x + 3, x + 2, x + 1, x);
        __m256 v = _mm256_cvtepi32_ps(v_x);
        __m256 x0f = _mm256_mul_ps(v, scale_w);
        __m256 y0f = _mm256_mul_ps(_mm256_set1_ps((float)y), scale_h);
        __m256i x0 = _mm256_cvtps_epi32(x0f);
        __m256i y0 = _mm256_cvtps_epi32(y0f);

        __m256i src_index = _mm256_add_epi32(_mm256_mullo_epi32(_mm256_set1_epi32(src_width), y0), x0);
        __m256i data = _mm256_i32gather_epi32(src, src_index, 4);
        _mm256_storeu_epi32(dst + dst_width * y + x, data);

        // v_x = _mm256_add_epi32(v_x, _mm256_set1_epi32(8));
    }
}

キャッシュヒットを確認するために

WindowsでのCPUアーキテクチャ非依存のキャッシュ測定用のツールが見つからなかった。
このため、perfコマンドを代替手段として使う。上記のコードをgccでビルドが通るように環境を立ち上げる。
ここではWSL2の環境でできるか確認する。
Visual Studioでの環境構築はこちらを参照。
また、gcc向けにはアライメント修飾子を書き換える必要がある。

脚注

  1. リンク先の入力画像は別のものを使う。理由はwiki参照。512x512の画素のものであれば何でも良い。 ↩︎

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CUDA勉強メモ

CUDAとドライバのインストール

cuda toolkitをダウンロードし、ドライバとともにインストール
CUDA Toolkit Downloads

CUDAコードでの置き換え

Chat GPT 3.5を使用

__global__ void nearestNeighborResize(const uint8_t* src, uint8_t* dst, int srcWidth, int srcHeight, int dstWidth, int dstHeight) {
    int x = blockIdx.x * blockDim.x + threadIdx.x;
    int y = blockIdx.y * blockDim.y + threadIdx.y;

    if (x < dstWidth && y < dstHeight) {
        int srcX = static_cast<int>((x * (srcWidth / static_cast<float>(dstWidth)) + 0.5f));
        int srcY = static_cast<int>((y * (srcHeight / static_cast<float>(dstHeight)) + 0.5f));

        int srcIndex = srcY * srcWidth + srcX;
        int dstIndex = y * dstWidth + x;

        dst[dstIndex] = src[srcIndex];
    }
}
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SIMD, CUDA比較

画素数が多い場合はCUDAが早い
ただ、出力結果のバイナリ一致が得られていない。かつ、ビルド設定などの最適化はVisual StudioのReleaseビルド初期設定のままとしている

比較結果