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Vetorização e Otimização de Código - Intel Software Conference 2013
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Vetorização e Otimização de Código - Intel Software Conference 2013

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Palestra ministrada por Luciano Palma no Intel Software Conference nos dias 6 de Agosto (NCC/UNESP/SP) e 12 de Agosto (COPPE/UFRJ/RJ).

Palestra ministrada por Luciano Palma no Intel Software Conference nos dias 6 de Agosto (NCC/UNESP/SP) e 12 de Agosto (COPPE/UFRJ/RJ).

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  1. Vetorização e Otimização de Código Luciano Palma Community Manager – Servers & HPC Intel Software do Brasil Luciano.Palma@intel.com
  2. Inovação acelerada em processadores Multi Core Many Core 128 Bits 256 Bits 512 Bits
  3. Intel inside, inside Intel…
  4. Implementação Escalar Modo Escalar Uma instrução produz um resultado for (i=0;i<=MAX;i++) c[i]=a[i]+b[i];
  5. Implementação Vetorizada Processamento SIMD (vetorizado) Instruções SSE, AVX, AVX2 Uma instrução pode produzir múltiplos resultados for (i=0;i<=MAX;i++) c[i]=a[i]+b[i];
  6. Vetores SIMD (AVX)
  7. Como aproveitar isso tudo? APIs nativas para multithreading demandam experiência para escrever código correto e eficiente – Mais complexo para expandir, especialmente para sistemas que usam outros processos multithreaded. Instruções de vetorização também apresentam desafios – Inline assembly e intrinsics requerem experiência de baixo nível e não escalam facilmente – A vetorização feita pelo compilador é bem-vinda, mas pode não funcionar sempre. Além disso, pode ser prejudicada pela semântica da linguagem.
  8. Construções de vetores com Intel® Cilk™ Plus
  9. Intel® Cilk™ Plus: solução simples e eficiente Intel Cilk Plus Benefícios Intel Cilk Plus O que é? • Suportado pelo compilador: 3 simples palavras-chave • Array notation • Hyperobjects – evitam races de forma eficiente • Pragmas e atributos para definir vetorização • Suporta C and C++ • Sintaxe fácil de aprender e usar • Código rápido e reutilizável (vetores maiores) • Fork/join: simples de entender, reproduz comportamento serial • Baixo overhead: escalabilidade p/ muitos núcleos • Reducers: + rápidos do que locks, semântica do código serial
  10. O que o Intel® Cilk™ Plus NÃO É Não é uma solução completa para multithreading Solução completa: Intel® Threading Building Blocks Não é uma solução de paralelismo de cluster entre diversos nós Solucão: Intel® Cluster Studio Não é uma ferramenta para tornar o projeto de aplicações paralelas mais simples Solução: Intel® Parallel Advisor
  11. Técnicas de Vetorização
  12. Notação de Arrays - Intel® Cilk™ Plus Sintaxe para especificar seções dos arrays nas quais executar determinadas operações Sintaxe: [<limite inferior> : <tamanho> : <passo>] • Exemplos a[0:N] = b[0:N] * c[0:N]; a[:] = b[:] * c[:] // se a, b, c são declarados com tamanho N A vetorização automática do compilador C++ Intel® pode usar essa informação para aplicar operações únicas para múltiplos elementos do array usando Intel® Streaming SIMD Extensions (Intel® SSE) e Intel® Advanced Vector Extensions (Intel® AVX) • Exemplo mais avançado: x[0:10:10] = sin(y[20:10:2]);
  13. Exemplo de Notação de Arrays void foo(double * a, double * b, double * c, double * d, double * e, int n) { for(int i = 0; i < n; i++) a[i] *= (b[i] - d[i]) * (c[i] + e[i]); } void goo(double * a, double * b, double * c, double * d, double * e, int n) { a[0:n] *= (b[0:n] - d[0:n]) * (c[0:n] + e[0:n]); } icl -Qvec-report3 -c test-array-notations.cpp Intel(R) C++ Intel(R) 64 Compiler XE for applications running on Intel(R) 64, Version 12.1.4.325 Build 20120410 Copyright (C) 1985-2012 Intel Corporation. All rights reserved. test-array-notations.cpp test-array-notations.cpp(2): (col. 2) remark: loop was not vectorized: existence of vector dependence. test-array-notations.cpp(3): (col. 3) remark: vector dependence: assumed FLOW dependence between a line 3 and e line 3. <snip> test-array-notations.cpp(7): (col. 6) remark: LOOP WAS VECTORIZED.
  14. Vetorização + Threading
  15. Quais loops podem ser vetorizados?  Contável Contador constante durante o loop  Entradas e Saídas Únicas Saída do loop não pode ser dependente de dados (deve ser baseada no contador)  Código “straight-line” Instruções SIMD são iguais para diversas iterações do loop. Não pode haver “branching”  O mais interno de loops encadeados  Sem chamadas de funções Somente funções matemáticas intrínsecas ou inlines http://d3f8ykwhia686p.cloudfront.net/1live/intel/CompilerAutovectorizationGuide.pdf
  16. Funções vetorizadas pelo compilador
  17. Funções Elementares no Intel® Cilk™ Plus • O compilador não pode assumir que uma função definida pelo usuário é segura para vetorização • É possível tornar uma função “elementar”: indicar ao compilador que a função pode ser aplicada a múltiplos elementos de um array em paralelo de forma segura • Utilize __declspec(vector) na declaração *E* na definição da função, pois isso afetará o name-mangling • Ao usar cláusulas disponíveis para ajudar diretamente o compilador na geração do código, consulte a documentação para detalhes
  18. Exemplo de Função Elementar double user_function(double x); __declspec(vector) double elemental_function(double x); double a[100]; double b[100]; void foo() { a[:] = user_function(b[:]); a[:] = elemental_function(b[:]); } icl /Qvec-report3 /c test-elemental-functions.cpp Intel(R) C++ Intel(R) 64 Compiler XE for applications running on Intel(R) 64, Version 12.1.4.325 Build 20120410 Copyright (C) 1985-2012 Intel Corporation. All rights reserved. test-elemental-functions.cpp test-elemental-functions.cpp(9) : (col. 4) remark: LOOP WAS VECTORIZED. test-elemental-functions.cpp(8) : (col. 4) remark: loop was not vectorized: nonstandard loop is not a vectorization candidate.
  19. Obstáculos para Vetorização Acesso não-contíguo à memória "vectorization possible but seems inefficient“ Endereçamento indireto (3o exemplo): “Existence of vector dependence”
  20. Obstáculos para Vetorização Dependência de Dados No segundo caso, se não houver dependência (aliasing), o uso de #pragma ivdep permite “forçar” a vetorização
  21. Intel® Cilk™ Plus - Tasking
  22. Palavras-chave do Intel® Cilk™ Plus Cilk Plus adiciona 3 palavras-chave ao C/C++: _cilk_spawn _cilk_sync _cilk_for Usando #include <cilk/cilk.h>, você pode usar as palavras-chave: cilk_spawn, cilk_sync e cilk_for. O runtime do CILK Plus controla a criação de threads e seu agendamento. O pool de threads é criado antes do uso das palavras-chave do CILK Plus. Por default, o número de threads é igual ao número de núcleos (incluindo hyperthreads), mas pode ser controlado pelo usuário
  23. cilk_spawn e cilk_sync cilk_spawn dá ao runtime a permissão para rodar uma função-filha de forma assíncrona. – Não é criada (nem necessária) uma 2a thread! – Se não houver workers disponíveis, a função-filha será executada com uma chamada a uma função serial. – O scheduler pode “roubar” a fila da função-pai e executá-la em paralelo com a função-filha. – A função-pai não tem garantia de rodar em paralelo com a função-filha. cilk_sync aguarda a conclusão de todas as funções-filhas antes que a execução prossiga além daquele ponto. – Existem pontos de sincronismo (cilk_sync) implícitos
  24. Um exemplo simples Computação recursiva do número de Fibonacci: int fib(int n) { int x, y; if (n < 2) return n; x = cilk_spawn fib(n-1); y = fib(n-2); cilk_sync; return x+y; } Chamadas assíncronas devem completar antes de usar x. Execução pode continuar enquanto fib(n-1) roda.
  25. cilk_for Semelhante a um loop “for” regular. cilk_for (int x = 0; x < 1000000; ++x) { … } Qualquer iteração pode executar em paralelo com qualquer outra. Todas as interações completam antes do programa prosseguir. Limitações: – Limitado a uma única variável de controle. – Deve ser capaz de voltar ao início de qualquer iteração, randomicamente. – Iterações devem ser independentes umas das outras.
  26. Nos bastidores do cilk_for… void run_loop(first, last) { if ((last - first) < grainsize) { for (int i=first; i<last ++i) {LOOP_BODY;} } else { int mid = (last-first)/2; cilk_spawn run_loop(first, mid); run_loop(mid, last); } }
  27. Exemplos de cilk_for cilk_for (int x; x < 1000000; x += 2) { … } cilk_for (vector<int>::iterator x = y.begin(); x != y.end(); ++x) { … } cilk_for (list<int>::iterator x = y.begin(); x != y.end(); ++x) { … }  O contador do loop não pode ser calculado em tempo de compilação usando uma lista. (y.end() – y.begin() não é definido)  Não há acesso randômico aos elementos de uma lista. (y.begin() + n não é definido.)
  28. Serialização Todo programa Cilk Plus tem um equivalente serial, chamado de serialização A serialização é obtida removendo as palavras-chave cilk_spawn e cilk_sync e substituindo cilk_for por for O compilador produzirá a serialização se você compilar com /Qcilk-serialize (Windows*) ou –cilk-serialize (Linux*/OS X*) Rodar um programa com somente um worker é equivalente a rodar a serialização.
  29. Semântica Serial Um programa CILK Plus determinístico terá a mesma semântica se sua serialização. – Facilita a realização de testes de regressão; – Facilita o debug: – Roda com somente um núcleo – Roda serializado – Permite composição – Vantagens dos hyperobjects – Ferramentas de análise robustas (Cilk Plus SDK) – cilkscreen race detector – cilkview scalability analyzer
  30. Sincronismos implícitos void f() { cilk_spawn g(); cilk_for (int x = 0; x < lots; ++x) { ... } try { cilk_spawn h(); } catch (...) { ... } } Ao final de uma funcão utilizando spawn Ao final do corpo de um cilk_for (não sincroniza g()) Ao final de um bloco try contendo um spawn Antes de entrar num bloco try contendo um sync
  31. Composição Sincronismos implícitos são importantes para tornar cada chamada de função uma “caixa preta”. Quem chama a função não sabe (nem se importa) se a função chamada implementa spawns. A abstração serial é mantida. Que chama a função não precisa se preocupar com data races na função chamada. cilk_sync sincroniza somente funções-filhas que foram “spawned” dentro da mesma função do sync: nenhuma ação ocorre “à distância”.
  32. Um exemplo de soma int compute(const X& v); int main() { const std::size_t n = 1000000; extern X myArray[n]; // ... int result = 0; for (std::size_t i = 0; i < n; ++i) { result += compute(myArray[i]); } std::cout << "The result is: " << result << std::endl; return 0; }
  33. Somando com Intel® Cilk™ Plus int compute(const X& v); int main() { const std::size_t n = 1000000; extern X myArray[n]; // ... int result = 0; cilk_for (std::size_t i = 0; i < n; ++i) { result += compute(myArray[i]); } std::cout << "The result is: " << result << std::endl; return 0; } Race!
  34. Solução com Locks int compute(const X& v); int main() { const std::size_t n = 1000000; extern X myArray[n]; // ... mutex L; int result = 0; cilk_for (std::size_t i = 0; i < n; ++i) { int temp = compute(myArray[i]); L.lock(); result += temp; L.unlock(); } std::cout << "The result is: " << result << std::endl; return 0; } Problemas Sobrecarga e contenção dos Locks
  35. Solução com Reducer do CILK™ Plus int compute(const X& v); int main() { const std::size_t ARRAY_SIZE = 1000000; extern X myArray[ARRAY_SIZE]; // ... cilk::reducer_opadd<int> result; cilk_for (std::size_t i = 0; i < ARRAY_SIZE; ++i) { result += compute(myArray[i]); } std::cout << "The result is: " << result.get_value() << std::endl; return 0; } Declare result como reducer de soma (int) Atualizações são resolvidas automatica/e, sem races nem contenção Ao final, o valor (int) pode ser recuperado (soma)
  36. Biblioteca de “HyperObjects” A biblioteca de hyperobjects do Intel® Cilk™ Plus’s contém os “reducers” mais utilizados (e mais) : – reducer_list_append – reducer_list_prepend – reducer_max – reducer_max_index – reducer_min – reducer_min_index – reducer_opadd – reducer_ostream – reducer_basic_string – holder – … Você pode escrever seu próprio reducer usando cilk::monoid_base e cilk::reducer.
  37. Use o Intel® Cilk™ Plus Disponível em: Intel® C++ Composer XE 2011 – Incluído no Intel® Parallel Studio XE 2011 SP1 – Avaliação gratuita (30 dias) em http://software.intel.com/en-us/articles/intel- software-evaluation-center/ Patch do gcc* 4.7 (Open Source) – Obtenha em: http://cilk.com
  38. Material complementar Sobre Intel® Cilk™ Plus http://cilk.com Intel® Threading Building Blocks http://threadingbuildingblocks.org Suporte http://premier.intel.com Fóruns de usuários http://software.intel.com/pt-br/forums http://software.intel.com/en-us/forums/intel-cilk-plus Apresentações técnicas http://software.intel.com/en-us/articles/intel-software- development-products-technical-presentations/ (incluem mais detalhes do Cilk Plus, vetorização, Intel® Cluster Studio e muito mais!)
  39. Nota sobre Otimização
  40. • INFORMATION IN THIS DOCUMENT IS PROVIDED IN CONNECTION WITH INTEL PRODUCTS. NO LICENSE, EXPRESS OR IMPLIED, BY ESTOPPEL OR OTHERWISE, TO ANY INTELLECTUAL PROPERTY RIGHTS IS GRANTED BY THIS DOCUMENT. EXCEPT AS PROVIDED IN INTEL'S TERMS AND CONDITIONS OF SALE FOR SUCH PRODUCTS, INTEL ASSUMES NO LIABILITY WHATSOEVER AND INTEL DISCLAIMS ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTY, RELATING TO SALE AND/OR USE OF INTEL PRODUCTS INCLUDING LIABILITY OR WARRANTIES RELATING TO FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE, MERCHANTABILITY, OR INFRINGEMENT OF ANY PATENT, COPYRIGHT OR OTHER INTELLECTUAL PROPERTY RIGHT. • A "Mission Critical Application" is any application in which failure of the Intel Product could result, directly or indirectly, in personal injury or death. SHOULD YOU PURCHASE OR USE INTEL'S PRODUCTS FOR ANY SUCH MISSION CRITICAL APPLICATION, YOU SHALL INDEMNIFY AND HOLD INTEL AND ITS SUBSIDIARIES, SUBCONTRACTORS AND AFFILIATES, AND THE DIRECTORS, OFFICERS, AND EMPLOYEES OF EACH, HARMLESS AGAINST ALL CLAIMS COSTS, DAMAGES, AND EXPENSES AND REASONABLE ATTORNEYS' FEES ARISING OUT OF, DIRECTLY OR INDIRECTLY, ANY CLAIM OF PRODUCT LIABILITY, PERSONAL INJURY, OR DEATH ARISING IN ANY WAY OUT OF SUCH MISSION CRITICAL APPLICATION, WHETHER OR NOT INTEL OR ITS SUBCONTRACTOR WAS NEGLIGENT IN THE DESIGN, MANUFACTURE, OR WARNING OF THE INTEL PRODUCT OR ANY OF ITS PARTS. • Intel may make changes to specifications and product descriptions at any time, without notice. Designers must not rely on the absence or characteristics of any features or instructions marked "reserved" or "undefined". Intel reserves these for future definition and shall have no responsibility whatsoever for conflicts or incompatibilities arising from future changes to them. The information here is subject to change without notice. Do not finalize a design with this information. • The products described in this document may contain design defects or errors known as errata which may cause the product to deviate from published specifications. Current characterized errata are available on request. • Intel processor numbers are not a measure of performance. Processor numbers differentiate features within each processor family, not across different processor families. Go to: http://www.intel.com/products/processor_number. • Contact your local Intel sales office or your distributor to obtain the latest specifications and before placing your product order. • Copies of documents which have an order number and are referenced in this document, or other Intel literature, may be obtained by calling 1-800-548- 4725, or go to: http://www.intel.com/design/literature.htm • Intel, Core, Atom, Pentium, Intel inside, Sponsors of Tomorrow, Pentium, 386, 486, DX2 and the Intel logo are trademarks of Intel Corporation in the United States and other countries. • *Other names and brands may be claimed as the property of others. • Copyright ©2012 Intel Corporation. Legal Disclaimer
  41. Risk Factors The above statements and any others in this document that refer to plans and expectations for the second quarter, the year and the future are forward-looking statements that involve a number of risks and uncertainties. Words such as “anticipates,” “expects,” “intends,” “plans,” “believes,” “seeks,” “estimates,” “may,” “will,” “should” and their variations identify forward-looking statements. Statements that refer to or are based on projections, uncertain events or assumptions also identify forward-looking statements. Many factors could affect Intel’s actual results, and variances from Intel’s current expectations regarding such factors could cause actual results to differ materially from those expressed in these forward-looking statements. Intel presently considers the following to be the important factors that could cause actual results to differ materially from the company’s expectations. Demand could be different from Intel's expectations due to factors including changes in business and economic conditions, including supply constraints and other disruptions affecting customers; customer acceptance of Intel’s and competitors’ products; changes in customer order patterns including order cancellations; and changes in the level of inventory at customers. Uncertainty in global economic and financial conditions poses a risk that consumers and businesses may defer purchases in response to negative financial events, which could negatively affect product demand and other related matters. Intel operates in intensely competitive industries that are characterized by a high percentage of costs that are fixed or difficult to reduce in the short term and product demand that is highly variable and difficult to forecast. Revenue and the gross margin percentage are affected by the timing of Intel product introductions and the demand for and market acceptance of Intel's products; actions taken by Intel's competitors, including product offerings and introductions, marketing programs and pricing pressures and Intel’s response to such actions; and Intel’s ability to respond quickly to technological developments and to incorporate new features into its products. Intel is in the process of transitioning to its next generation of products on 22nm process technology, and there could be execution and timing issues associated with these changes, including products defects and errata and lower than anticipated manufacturing yields. The gross margin percentage could vary significantly from expectations based on capacity utilization; variations in inventory valuation, including variations related to the timing of qualifying products for sale; changes in revenue levels; segment product mix; the timing and execution of the manufacturing ramp and associated costs; start-up costs; excess or obsolete inventory; changes in unit costs; defects or disruptions in the supply of materials or resources; product manufacturing quality/yields; and impairments of long-lived assets, including manufacturing, assembly/test and intangible assets. The majority of Intel’s non-marketable equity investment portfolio balance is concentrated in companies in the flash memory market segment, and declines in this market segment or changes in management’s plans with respect to Intel’s investments in this market segment could result in significant impairment charges, impacting restructuring charges as well as gains/losses on equity investments and interest and other. Intel's results could be affected by adverse economic, social, political and physical/infrastructure conditions in countries where Intel, its customers or its suppliers operate, including military conflict and other security risks, natural disasters, infrastructure disruptions, health concerns and fluctuations in currency exchange rates. Expenses, particularly certain marketing and compensation expenses, as well as restructuring and asset impairment charges, vary depending on the level of demand for Intel's products and the level of revenue and profits. Intel’s results could be affected by the timing of closing of acquisitions and divestitures. Intel's results could be affected by adverse effects associated with product defects and errata (deviations from published specifications), and by litigation or regulatory matters involving intellectual property, stockholder, consumer, antitrust, disclosure and other issues, such as the litigation and regulatory matters described in Intel's SEC reports. An unfavorable ruling could include monetary damages or an injunction prohibiting Intel from manufacturing or selling one or more products, precluding particular business practices, impacting Intel’s ability to design its products, or requiring other remedies such as compulsory licensing of intellectual property. A detailed discussion of these and other factors that could affect Intel’s results is included in Intel’s SEC filings, including the report on Form 10-K for the year ended Dec. 31, 2011. Rev. 4/17/12

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