[야생의 땅: 듀랑고]의 식물 생태계를 담당하는 21세기 정원사의 OpenCL 경험담

21세기 정원사의 OpenCL 경험담
<야생의 땅: 듀랑고>의 식물 생태계를 담당하는
넥슨코리아
변수민 <suminb@nexon.co.kr>

발표자 소개 - 변수민
• University of Arizona
• 컴퓨터 과학(computer science) 전공, 수학 부전공 (2010)
• 같은 학교 로봇 인공지능 연구실에서 리서치 프로그래머로 근무 (2011)
• 같은 학교에서 컴퓨터 과학 석사 (2013)
• 작년 7월에 넥슨에서 게임 프로그래머로 근무 시작 (2014)
• 관심 분야: 머신 러닝(machine learning), 데이터 마이닝(data
mining), 분산 시스템

Disclaimers
• 저는 OpenCL 전문가가 아닙니다
• C# 도 처음 써보는겁니다
• 처음 접해보는 초보자 입장에서 하는 이야기
• 이렇게 많은 사람들 앞에서 이렇게 긴 발표를 해 보는것도 처음

목차
• <야생의 땅: 듀랑고> 에 대한 이야기
• 생태계 시뮬레이터 소개
• 바이오매스 계산에 대한 이야기
• OpenCL 실행 모델, 메모리 모델
• OpenCL 경험담
• 회고록

<야생의 땅: 듀랑고> 소개
Games maketh man

오픈 월드
• 방대한 크기의 오픈 월드
• 여러개의 섬 
스마트폰 화면으로 섬 하나를 모두 담으려면 축구장 하나의 크기 정도
• 자유롭게 돌아다니며 채집, 사냥, 건설, 농사 등의 활동
• 월드는 수작업이 아닌 자동으로 생성

수작업 나빠요
:-)
:-(
CC BY 3.0 http://en.wikipedia.org/wiki/Shielded_metal_arc_welding

CC 3.0 http://en.wikipedia.org/wiki/File:Robotworx-arc-welding-robots.jpg

게임 월드 생성 절차
WorldGen
Ecosystem
Simulator
Animal
Incubator
게임 서버
지형 정보 동식물 배치 정보
지형 생성 도구

생태계 시뮬레이터
지형, 지질, 기후, 주변 생태계 환경 등을 고려하여 식물과 광물을 배치

식물 배치
타일
• 최대 4096x4096 타일
• 게임 내 스케일로 8x8 km

• 각 타일당 다음의 조건을 고려하여 최적의 식물 후보를 선택
• 지질 (초원, 온대림, 열대림, 사바나, 사막, 타이가, 툰드라, 설원 등)
• 고도, 온도, 습도, 비옥도
• 바다, 강, 호수와의 거리
• 랜드마크와의 거리
• 주변 바이오매스(biomass)의 합
식물 배치
만화 © 이말년

생태계 시뮬레이터 작동 구조
메타데이터 생성, 읽기
지형, 환경 정보 읽어오기
데이터 가공
최종 배치 정보 내보내기바이오매스 맵 업데이트
식물별 생존 적합성 판별
식물, 광물 배치
각 회차(iteration)마다

최초의 프로토타입
• 너무 느려서 2048x2048 정도의 큰 월드에서의 실행은 무리
• 바이오매스 계산이 대부분의 시간을 차지

우리의 작업 환경
Mono
Linux
OpenCL
Ecosystem Simulator
.NET
Windows
OpenCL
Visual Studio
Ecosystem Simulator

바이오매스(biomass) 계산
Biomass is biological material derived from living, or recently living organisms[^1]
[^1]: http://en.wikipedia.org/wiki/Biomass

CC-BY-NC-SA http://www.dialogosfederativos.gov.br/?p=1666

바이오매스
• 특정 생명체가 가지는 생물학적 질량
• 우리 게임에서는 식물 크기의 척도로 사용되기도 함
• 식물의 생장 조건 중 하나가 주변의 바이오매스 총량
• 우리의 기획 의도를 반영할 수 있는 도구 중 하나
• 빽빽하게 심거나, 듬성듬성하게 심거나

계산을 어떻게 빨리 하지…?
CC0 Public Domain http://pixabay.com/en/think-thinking-hand-reﬂect-622689/

계산을 어떻게 빨리 하지…?
바이오매스 맵을 미리 계산해놓자!
CC0 Public Domain http://pixabay.com/en/think-thinking-hand-reﬂect-622689/

바이오매스 맵 미리 계산 하기
1. Matrix multiplication
2. Naïve matrix multiplication with OpenCL
3. Optimized matrix multiplication with OpenCL
4. Comprehensive kernel
5. Sparse matrix

OpenCL
The open standard for parallel programming of heterogeneous systems

OpenCL 소개
• 명세 공개
• 크로스 플랫폼
• 여러 종류의 장비를 지원하는 (CPU, AMD/NVIDIA GPUs)
• 병렬 프로그래밍 프레임워크
• 여러가지 언어 바인딩 지원
• 이용 분야: 엔터테인먼트, 멀티미디어, 금융, 과학, 의학 등 
(<야생의 땅: 듀랑고>, photography, video editing, computational biology, fluid dynamics, Monte-Carlo,
climate physics modeling, N-body simulations, search for weak astrophysical signals from spinning
neutron stars, GPU-based motion correction of contrast-enhanced liver MRI scans, and the list goes on)

OpenCL 소개
• 실행 모델
• Task/data parallelism
• 커널(Kernel)
• 메모리 모델
• 메모리 계층구조 (NUMA)
• Work-item, work-group
• 메모리 보호

OpenCL Execution Models
• Task-parallel programming
• Data-parallel programming

Task Parallelism vs. Data Parallelism
Task 1
Task 1 Task 2 Task 3 Task 1 Task 1 Task 1Task 4

Task Parallelism vs. Data Parallelism
Task 1
Task 1 Task 2 Task 3 Task 1 Task 1 Task 1Task 4
커널(kernel)

Kernel
CC BY-SA 3.0 http://en.wikipedia.org/wiki/Corn_kernel

Kernel
Linux Kernel Map http://www.makelinux.net/kernel_map/

OpenCL Kernel
• C 함수라고 보아도 무방
• OpenCL C = An extended and subsetted version of C99
• 1, 2 또는 3차원 인덱스 스페이스(index space)에 대하여 커널을 실행
• 인덱스 스페이스는 컴퓨테이션 도메인(computation domain)이라 표현하기도 함

1차원 인덱스 스페이스
0 1 2 3 4 5 … n-1

2차원 인덱스 스페이스
0,0 0,1 0,2 … 0,n-1
1,0 1,1 1,2 … 1,n-1
2,0 2,1 2,2 … 2,n-1
… … … … …
n-1,0 n-1,1 n-1,2 … n-1,n-1

OpenCL Kernel Execution
…w = u + v
1
…
2
2
3
3
4
n
n+1
3 5 7 2n+1
*(u+0)
*(v+0)
*(u+1)
*(v+1)
*(u+2)
*(v+2)
*(u+n-1)
*(v+n-1)
w = u + v w = u + v w = u + v
…*(w+0) *(w+1) *(w+2) *(w+n-1)
0 1 2 n-1

__kernel void vector_addition(
__global float* w,
__global const float* u,
__global const float* v) {
int i = get_global_id(0);
w[i] = u[i] + v[i];
}
Example of Kernel
1차원 글로벌 인덱스

Work-item, work-group
• Work-item: each independent
element of execution in the
computation domain
• Work-group: work-items are
grouped together into
independent work-groups; local
memory is shared within a work-
group

Work-item
• 독립적인 실행 단위, 하나의 커널을 실행
• 여러 work-item 이 동시에 실행
• Private 메모리를 가질 수 있음
Work-item 1 Work-item 2 Work-item n
…
Private Memory
Kernel
Private Memory
Kernel
Private Memory
Kernel

Work-group
• Work-item 의 집합
• 그룹 내의 work-item 들은 로컬 메모리를 공유, 동기화 가능
• 그룹간 로컬 메모리 접근, 동기화는 불가능
Work-group 1
Work-item
Private Memory
Kernel
Private Memory
Kernel
Work-item
Local Memory
Work-item
Private Memory
Kernel
Private Memory
Kernel
Work-item
Local Memory
Work-group n
…

Memory Models
OpenCL Memory Model (from [Khronos 2011])

Memory Models
CPU GPU
Register, L1, L2 cache Private memory
L3 cache
(코어 간 데이터 공유)
Local memory 
(Work-group 내 데이터 공유)
Main memory Global memory
느림 대용량
조금 억지스러운 비유이지만...
빠름 저용량

Memory Models
Global Memory
Local Memory Local Memory
…
Work-group 1 Work-group n

Memory Protection
이미지 출처는 https://mirror.enha.kr/wiki/그런%20거%20없다, 원본 화면이 어디서 왔는지는 알 수 없음.

Memory Protection
• 메모리 블럭은 보호되지 않음
• Segmentation fault 가 보고되지 않음
• 화면 깜빡임, 복구 불가능한 시스템 크래시 등 다양한 이상 현상
• 스크린 해상도 변경 이벤트는 드라이버 레벨에서 감지 가능

An Introduction to the OpenCL
Programming Model

Take One: 행렬의 곱셈
The Matrix is the world that has been pulled over your eyes to blind you from the truth

Take Two: 행렬의 곱셈
우리가 알고 싶어하는 것: 행렬의 특정 범위에 있는 요소들의 합

MaskBiomass maps
우리가 알고 싶어하는 것: 행렬의 특정 범위에 있는 요소들의 합

Mask Biomass maps Mask

Take Two: 하지만 문제는…

137,422,176,256
4096x4096 행렬을 곱했을 때 수행되는 곱셈과 덧셈 연산의 수

30 min
2048x2048 타일, 10회차까지
© 다음카카오

Take Two: 프로파일링 결과
바이오매스 맵 업데이트
생존 조건 판별
데이터 가공
지형 읽어오기
기타

Take Two: 프로파일링 결과
바이오매스 맵 업데이트
생존 조건 판별
데이터 가공
지형 읽어오기
기타
GPGPU 를 이용해서 개선해보자

Take Two: Naïve OpenCL Kernel
The more the merrier - Take advantage of the many-core architecture
Unknown license of this image from http://www.extremetech.com/computing/185512-overclocking-intels-core-i7-4970k-can-devils-canyon-fix-
haswells-low-clock-speeds

Take Two: Naïve OpenCL Kernel
• 행렬 연산만 OpenCL 을 이용 
(코드를 단순하게 하기 위해 글로벌 메모리만 사용)
• 나머지 코드는 그대로
데이터 가공

일반적인 행렬 계산 코드
void matrix_multiplication(float* C, const float* A,
const float* B, const int n) {
for (int i = 0; i < n; i++) {
for (int j = 0; j < n; j++) {
float r = 0;
for (int k = 0; k < n; k++) {
r += A[i * n + k] * B[k * n + j];
}
C[i * n + j] = r;
}
}
}

OpenCL Kernel Code
__kernel void matrix_mul(__global float* C,
__global const float* A,
__global const float* B) {
int tx = get_global_id(0);
int ty = get_global_id(1);
int w = get_global_size(0);
float value = 0;
for (int k = 0; k < w; k++) {
value += A[ty * w + k] * B[k * w + tx];
}
C[ty * w + tx] = value;
}

float value = 0;
for (int k = 0; k < w; k++) {
}
}
OpenCL Kernel Code
벡터의 내적(dot product)

OpenCL Kernel Code
float value = 0;
for (int k = 0; k < w; k++) {
}
}
2차원 글로벌 인덱스 (x, y)
글로벌 인덱스의 1차원 축 크기
(정방행렬square matrix이므로 2차원 축 크기와 동일)
j
i
글로벌 메모리 사용

Take Two: Naïve OpenCL
30 min -> 3 min
© 다음카카오

Take Three: Optimized OpenCL Kernel
Take advantage of the non-uniform memory hierarchy

#pragma OPENCL EXTENSION cl_khr_fp64 : enable
#define BLOCK_SIZE 32
__kernel void
matrix_mul(__global double* C,
__global double* A,
__global double* B)
{
int bx = get_group_id(0);
int by = get_group_id(1);
int tx = get_local_id(0);
int ty = get_local_id(1);
int size = get_global_size(0);
// Range of sub-matrix A
int a_begin = size * BLOCK_SIZE * by;
int a_end = a_begin + size - 1;
int a_step = BLOCK_SIZE;
// Range of sub-matrix B
int b_begin = BLOCK_SIZE * bx;
int b_step = BLOCK_SIZE * size;
double c_sub = 0;
__local double A_sub[BLOCK_SIZE][BLOCK_SIZE];
__local double B_sub[BLOCK_SIZE][BLOCK_SIZE];
for (int a = a_begin, b = b_begin; a <= a_end;
a += a_step, b += b_step) {
A_sub[ty][tx] = A[a + size * ty + tx];
B_sub[ty][tx] = B[b + size * ty + tx];
barrier(CLK_LOCAL_MEM_FENCE);
for (int k = 0; k < BLOCK_SIZE; k++) {
c_sub += A_sub[ty][k] * B_sub[k][tx];
}
}
int c = size * BLOCK_SIZE * by + BLOCK_SIZE * bx;
C[c + size * ty + tx] = c_sub;
}

vs.

__local double A_sub[BLOCK_SIZE][BLOCK_SIZE];
__local double B_sub[BLOCK_SIZE][BLOCK_SIZE];
로컬 메모리 할당

for (int a = a_begin, b = b_begin; a <= a_end; a += a_step, b += b_step) {
}
}
86
부분행렬submatrix 원소들을 채워줌
다른 work-item 들이 작업을 마칠때까지 기다려줌

for (int a = a_begin, b = b_begin; a <= a_end; a += a_step, b += b_step) {
}
}
부분행렬의 내적을 구하고
다른 work-item 들이 작업을 마칠때까지 기다려줌

하지만...
데이터 가공

Take Four: Comprehensive Kernel
Legitimate general-purpose GPU-based computations

• 행렬 연산 및 생존 적합성 판단 코드를 모두 OpenCL 로 작성
• 한 회차(iteration)가 끝날때 마다 호스트로 결과 보고
데이터 가공

나는 경이적인 방법으로 프로그램의 속도를 향상시켰다.
그러나 화면의 여백이 너무 좁아 코드를 여기에 옮기지는 않겠다.

데이터 전송 병목
Host Memory
Device Memory
PCI Express
PCI Express 를 통한 호스트-디바이스 간 데이터 전송
CC BY-SA 3.0 http://en.wikipedia.org/wiki/PCI_Express#/media/File:PCIExpress.jpg

빨라졌지만 시간복잡도가 변한 것은 아니다

성능 비교
수행 시간
0
100
200
300
400
Take One Take Two Take Three Take Four

성능 비교
수행 시간
0
100
200
300
400
Take One Take Two Take Three Take Four
x170

Take Five: Compressed Sparse Row
Sufficiently advanced mathematics is indistinguishable from magic

Mask Biomass maps
비어있는 부분

Row offsets
Column indicies
Values

using MathNet.Numerics.LinearAlgebra;
using MathNet.Numerics.LinearAlgebra.Double;
Matrix<double> A = SparseMatrix.OfRowMajor(2, 2, new double[] { 1, 2, 3, 4 });
Matrix<double> B = SparseMatrix.OfRowMajor(2, 2, new double[] { 5, 6, 7, 8 });
Matrix<double> C = A * B;

30 min -> 18 sec
(Take One 의 CPU 코드와 비교하여)

회고록
디버깅 난이도, 유지보수 비용, 경제적 타당성 등에 대한 회고

높은 디버깅 난이도
• Segmentation fault 가 보고되지 않음
• No system calls
• printf 디버깅 불가, 로그 파일에 기록 불가
• No stack trace
• 화면 깜빡임과 시스템 크래시로 대체
• 적당한 디버거가 없는줄 알았는데, 발표 자료 만들면서 찾아보니...
• http://developer.amd.com/tools-and-sdks/opencl-zone/opencl-emulator-debugger/

유지보수 어려움
• 프로그래머 구하기 어려움[^1]
• Java - 35,180
• Python - 18,668
• OpenCL - 101
• 코드는 이식 가능하지만, 성능은 이식 불가능
• 메모리 크기에 따른 work-item, work-group 수 제한
• 동시에 실행 가능한 쓰레드의 수
[^1]: LinkedIn 에서 각 키워드로 job posting 검색 결과 수 (2015-05-12)

경제적 타당성 (Financial Viability)
• OpenCL 을 이용해 프로그램 수행 속도를 20% 향상시켰지만 전기세가
두 배로 늘었다면?
• 아마존 웹 서비스(AWS)의 GPU 인스턴스는 꽤 비싼 편[^1]
• 개발 난이도와 코드 유지보수 비용 - 개발자의 시간은 비싸다
[^1]: 2015년 5월 버지니아 데이터센터 기준으로 시간당 $0.65-$2.60, 비슷한 CPU 성능을 가진 다른 인스턴스는 $0.42-$1.68

아쉬운 점
• 컬렉션(collection) 라이브러리가 있었으면 좋겠다
• List, set, dictionary …
• GPU 이용을 위해 기존의 코드를 재작성 하지 않아도 되었으면 좋겠다
• hiCUDA - C directive based metalanguage

OpenCL 은 잠시 접어두기로...
OpenCL
T_T
CC0 Public Domain http://pixabay.com/en/litter-disposal-person-trash-can-44039/

OpenCL 은 잠시 접어두기로...
• 공학적 개선 ≈ 수학적 개선
• 비용 > 성능상 이점
• 미래에 다른 기회가 있다면 재도전
• 더 큰 섬
• 더 복잡한 요구 조건
• --no-opencl 플래그
• 언제든지 다시 꺼내서 쓸 수 있는 상태

OpenCL 의 올바른 이용법
• 데이터 교환은 한꺼번에, 계산은 많이
• 불균일 메모리 접근(NUMA)을 적절히 이용
• 브랜칭(branching)은 최소한으로

Branching in GPU
if
if
statement 1
statement 2
statement 2
if (conditions) {
// statement 1
}
// statement 2

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