nvidia CUDA 高级编程NVSHMEM 直方图——复制式方法

Posted 2023-01-20 从善若水

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本人就职于国际知名终端厂商，负责modem芯片研发。
在5G早期负责终端数据业务层、核心网相关的开发工作，目前牵头6G算力网络技术标准研究。


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NVSHMEM 直方图——复制式方法

PE：处理单元（process entity）

直方图简介

       我们来了解一个与之前的问题有些相似但却稍显复杂的问题：构造直方图。也就是说，给定一个具有 𝑁 个整数的数组，和 𝑀 个取值范围，计算数组中有多少元素属于 𝑀 个范围中的某一个。不失一般性，我们将指定整数是 [0,𝐾−1] 区间内的正数，范围或桶是均匀的线性间隔（为了简单起见， 𝐾 可以被 𝑀 整除），从而第一个桶可以覆盖 [0,𝐾/𝑀−1] 区间内的数，第二个可以覆盖 [𝐾/𝑀,2𝐾/𝑀−1] 区间内的数，以此类推。

       在我们开始为多个 GPU 重构代码之前，我们将从使用单 GPU 的代码示例入手。解决这个问题最简单的方法还是使用原子操作。我们将对数组进行循环，计算数组中的每个元素应落入哪个桶；给定一个整数 𝑛 ，其所属的直方图数组的索引为 (𝑛𝑀)/𝐾 。然后，以原子操作增加该桶的计数器。检查代码，然后运行代码，看看会得到什么样的输出。您可按需随意调整参数（但要避免数字过大，注意 32 位整数溢出）。

#include <iostream>
#include <cstdlib>

inline void CUDA_CHECK (cudaError_t err) 
    if (err != cudaSuccess) 
        fprintf(stderr, "CUDA error: %s\\n", cudaGetErrorString(err));
        exit(-1);
    


#define NUM_BUCKETS   16
#define MAX_VALUE     1048576
#define NUM_INPUTS    65536

__global__ void histogram_kernel(const int* input, int* histogram, int N)

    int idx = threadIdx.x + blockIdx.x * blockDim.x;

    if (idx < N) 
        int value = input[idx];

        int histogram_index = (value * NUM_BUCKETS) / MAX_VALUE;

        atomicAdd(&histogram[histogram_index], 1);
    


int main(int argc, char** argv) 
    const int N = NUM_INPUTS;

    // 在主机上构建直方图输入数据
    int* input = (int*) malloc(N * sizeof(int));

    // 输入数据范围从 0 至 MAX_VALUE - 1 不等
    for (int i = 0; i < N; ++i) 
        input[i] = rand() % MAX_VALUE;
    

    // 复制到设备
    int* d_input;
    CUDA_CHECK(cudaMalloc((void**) &d_input, N * sizeof(int)));
    CUDA_CHECK(cudaMemcpy(d_input, input, N * sizeof(int), cudaMemcpyHostToDevice));

    // 分配直方图数组
    int* histogram = (int*) malloc(NUM_BUCKETS * sizeof(int));
    memset(histogram, 0, NUM_BUCKETS * sizeof(int));

    int* d_histogram;
    CUDA_CHECK(cudaMalloc((void**) &d_histogram, NUM_BUCKETS * sizeof(int)));
    CUDA_CHECK(cudaMemset(d_histogram, 0, NUM_BUCKETS * sizeof(int)));

    // 执行直方图
    int threads_per_block = 256;
    int blocks = (NUM_INPUTS + threads_per_block - 1) / threads_per_block;

    histogram_kernel<<<blocks, threads_per_block>>>(d_input, d_histogram, N);
    CUDA_CHECK(cudaDeviceSynchronize());

    // 将数据复制回主机，并检查一些值
    CUDA_CHECK(cudaMemcpy(histogram, d_histogram, NUM_BUCKETS * sizeof(int), cudaMemcpyDeviceToHost));

    std::cout << "Histogram counters:" << std::endl << std::endl;
    int num_buckets_to_print = 4;
    for (int i = 0; i < NUM_BUCKETS; i += NUM_BUCKETS / num_buckets_to_print) 
        std::cout << "Bucket [" << i * (MAX_VALUE / NUM_BUCKETS) << ", " << (i + 1) * (MAX_VALUE / NUM_BUCKETS) - 1 << "]: " << histogram[i];
        std::cout << std::endl;
        if (i < NUM_BUCKETS - NUM_BUCKETS / num_buckets_to_print - 1) 
            std::cout << "..." << std::endl;
        
    

    free(input);
    free(histogram);
    CUDA_CHECK(cudaFree(d_input));
    CUDA_CHECK(cudaFree(d_histogram));

    return 0;

编译运行指令如下：

nvcc -x cu -arch=sm_70 -o histogram histogram.cpp
./histogram

运行结果如下：

Histogram counters:

Bucket [0, 65535]: 4083
...
Bucket [262144, 327679]: 4107
...
Bucket [524288, 589823]: 4015
...
Bucket [786432, 851967]: 4045

复制式方法的 NVSHMEM 实现

       在多个 GPU 上分配工作量的一种方法与我们在 𝜋 估算器上使用的方法相同：给定 𝑁 个整数，我们即可把它们均匀地分配到所有 GPU 上，然后可以对所有 PE 进行归约。我们将此称为**“复制式”方法**，因为在所有 GPU 上都存在完整的直方图副本。我们将第一步，即增加每个直方图桶内的计数值，命名为“列表”步骤；将合并所有 PE 上的结果的第二步命名为“结合”步骤，并分别计算时间（以便与下一个方法进行比较）。

       我们将使用归约 API nvshmem_int_sum_reduce() 来归约直方图的所有桶：

nvshmem_int_sum_reduce(team, destination, source, nelems);

如果 destination == source，那么这就变成了就地归约，是 NVSHMEM 中的合理做法；这样做的好处在于，与创建临时目标缓冲区相比，其代码更加干净，所以我们建议在此练习中这样做。

练习

代码如下（file name：histogram_step1.cpp）

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <chrono>

#include <nvshmem.h>
#include <nvshmemx.h>

inline void CUDA_CHECK (cudaError_t err) 
    if (err != cudaSuccess) 
        fprintf(stderr, "CUDA error: %s\\n", cudaGetErrorString(err));
        exit(-1);
    


#define NUM_BUCKETS   16
#define MAX_VALUE     1048576
#define NUM_INPUTS    65536

__global__ void histogram_kernel(const int* input, int* histogram, int N)

    int idx = threadIdx.x + blockIdx.x * blockDim.x;

    if (idx < N) 
        int value = input[idx];

        int histogram_index = ((size_t) value * NUM_BUCKETS) / MAX_VALUE;

	    atomicAdd(&histogram[histogram_index], 1);
    


int main(int argc, char** argv) 
    // 初始化 NVSHMEM
    nvshmem_init();

    // 获取 NVSHMEM 处理元素 ID 和 PE 数量
    int my_pe = nvshmem_my_pe();
    int n_pes = nvshmem_n_pes();

    // 每个 PE（任意）选择与其 ID 对应的 GPU
    int device = my_pe;
    CUDA_CHECK(cudaSetDevice(device));

    // 每台设备处理 1 / n_pes 的部分工作。
    const int N = NUM_INPUTS / n_pes;

    // 在主机上构建直方图输入数据
    int* input = (int*) malloc(N * sizeof(int));

    // 为每个 PE 初始化一个不同的随机数种子。
    srand(my_pe);

    // 输入数据范围从 0 至 MAX_VALUE - 1 不等
    for (int i = 0; i < N; ++i) 
        input[i] = rand() % MAX_VALUE;
    

    // 复制到设备
    int* d_input;
    d_input = (int*) nvshmem_malloc(N * sizeof(int));
    CUDA_CHECK(cudaMemcpy(d_input, input, N * sizeof(int), cudaMemcpyHostToDevice));

    // 分配直方图数组
    int* histogram = (int*) malloc(NUM_BUCKETS * sizeof(int));
    memset(histogram, 0, NUM_BUCKETS * sizeof(int));

    int* d_histogram;
    d_histogram = (int*) nvshmem_malloc(NUM_BUCKETS * sizeof(int));
    CUDA_CHECK(cudaMemset(d_histogram, 0, NUM_BUCKETS * sizeof(int)));

    // 为合理准确的计时执行一次同步
    nvshmem_barrier_all();

    using namespace std::chrono;

    high_resolution_clock::time_point tabulation_start = high_resolution_clock::now();

    // 执行直方图
    int threads_per_block = 256;
    int blocks = (NUM_INPUTS / n_pes + threads_per_block - 1) / threads_per_block;

    histogram_kernel<<<blocks, threads_per_block>>>(d_input, d_histogram, N);
    CUDA_CHECK(cudaDeviceSynchronize());

    nvshmem_barrier_all();

    high_resolution_clock::time_point tabulation_end = high_resolution_clock::now();

    high_resolution_clock::time_point combination_start = high_resolution_clock::now();

    // 在所有 PE 上执行归约
    nvshmem_int_sum_reduce(NVSHMEM_TEAM_WORLD, d_histogram, d_histogram, NUM_BUCKETS);

    high_resolution_clock::time_point combination_end = high_resolution_clock::now();

    // 打印 PE 0 上的结果
    if (my_pe == 0) 
        duration<double> tabulation_time = duration_cast<duration<double>>(tabulation_end - tabulation_start);
        std::cout << "Tabulation time = " << tabulation_time.count() * 1000 << " ms" << std::endl << std::endl;

        duration<double> combination_time = duration_cast<duration<double>>(combination_end - combination_start);
        std::cout << "Combination time = " << combination_time.count() * 1000 << " ms" << std::endl << std::endl;

        // 将数据复制回主机
        CUDA_CHECK(cudaMemcpy(histogram, d_histogram, NUM_BUCKETS * sizeof(int), cudaMemcpyDeviceToHost));

        std::cout << "Histogram counters:" << std::endl << std::endl;
        int num_buckets_to_print = 4;
        for (int i = 0; i < NUM_BUCKETS; i += NUM_BUCKETS / num_buckets_to_print) 
            std::cout << "Bucket [" << i * (MAX_VALUE / NUM_BUCKETS) << ", " << (i + 1) * (MAX_VALUE / NUM_BUCKETS) - 1 << "]: " << histogram[i];
            std::cout << std::endl;
            if (i < NUM_BUCKETS - NUM_BUCKETS / num_buckets_to_print - 1) 
                std::cout << "..." << std::endl;
            
        
    

    free(input);
    free(histogram);
    nvshmem_free(d_input);
    nvshmem_free(d_histogram);

    // 最终确定 nvshmem
    nvshmem_finalize();

    return 0;

编译和运行命令：

nvcc -x cu -arch=sm_70 -rdc=true -I $NVSHMEM_HOME/include -L $NVSHMEM_HOME/lib -lnvshmem -lcuda -o histogram_step1 exercises/histogram_step1.cpp
nvshmrun -np $NUM_DEVICES ./histogram_step1

运行结果如下：

Tabulation time = 0.033777 ms

Combination time = 0.042937 ms

Histogram counters:

Bucket [0, 65535]: 4135
...
Bucket [262144, 327679]: 4028
...
Bucket [524288, 589823]: 4088
...
Bucket [786432, 851967]: 4100

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