Common LispでGPGPU

Common Lispで
GPGPU
関東GPGPU勉強会 #4
2016-08-21
gos-k

自己紹介
●
名前 : gos-k
– gos_k : twitter, bitbucket, qiita
– gos-k : github, hatenablog
●
仕事 : 渋谷の某社でWebプログラマ
– Common LispとかReact.jsとか
– それ以前は産業用機器のソフトや3D画像処理のチューニングの仕事
●
趣味 : パンケーキ

発表の流れ
1) Common Lispに関する簡単な説明
2) Common LispにおけるGPGPU関連の現状
3) Common LispでOpenCL
4) Common Lispでカーネルコードのマクロ展開

今流行りのLisp方言
●
Clojure
– JVMで動くヤツ
●
Common Lisp
– Lisp方言を寄せ集めたヤツ
●
Scheme
– 関数型のヤツ
●
Emacs Lisp
– Emacsで動くヤツ
今回はCommon Lispを扱う

Common Lispとは
●
1980年代に数々のLispマシンやLisp方言が生まれた
●
コミュニティ分裂の懸念を解消すべく、Common Lispとし
て標準化を行う
– 既存のLispから最良の機能を集結
– ANSIから1996年に標準規格リリース
●
制御構造、再帰関数呼び出し、ガベージコレクション、インク
リメンタルコンパイル、オブジェクトシステム、コンディション
システム等々を持つ
参考文献 : Peter, 実践 Common Lisp, 2008

関連用語
●
SBCL (Steel Bank Common Lisp)
– Common Lispの処理系
– 色々あるけど非商用の処理系ならとりあえずコレ
●
Quicklisp
– Common Lispのパッケージ管理ツール
– pipとかgemとかnpmとかの仲間?
●
Roswell
– 処理系管理ツール?
– デフォルトでSBCLとQuicklispが入って、直ぐに使い始められる

GPGPU対応状況
●
CUDA
– takagi/cl-cuda (github)
●
OpenCL API
– 3b/cl-opencl-3b (github)
– guicho271828/eazy-opencl (github)
– gos-k/cl-oclapi (github)
●
OpenCL C
– gos-k/oclcl (github)
CUDAもOpenCLも、ホストもデバイスも、
Common Lispで書ける

cl-oclapi
●
3bさんのOpenCL APIは動くけど
– Quicklisp対応してない
– 何年もメンテされてない?
●
OpenCL 1.2 APIのラッパーをスクラッチから作った
– 数年だれもやってなかったネタなのに、guichoさんと数週間差でネタか
ぶり
– しかし、その他色々なライブラリの都合により、cl-oclapiがQuicklispの
GPGPU関連で一番最初に登録される

oclcl
●
cl-cudaからフォークして、カーネル部分取り出し
– S式からCを生成
– マクロのサポート
– シンボルマクロのサポート
●
変更点
– キーワードの置換や組込み関数の拡充
●
__global__を__kernelにしたり__synchronizeをbarrierにしたり
– スカラ型ベクタ型のサポート拡大
– テストコードのOpenCL APIライブラリをeazy-openclとcl-oclapiに
– Quicklisp登録済み

Common Lispで?
●
Cでカーネル書きたくない
– 不便だから
– カーネルの言語は規格上はCのみ
– その他言語はAPI対応ばかりで、カーネルまで書けるのはあまりない
●
自分で作れるか
– Common Lispなら既にcl-cudaがある
●
これをベースにすればOpenCLも出来るのでは
– マクロ使えばカーネル最適化に便利そう

Common Lispで?
●
マクロで変数が使える
●
マクロで関数が使える
●
マクロで条件分岐が使える
●
マクロでループが使える
●
マクロでプリント文が使える
●
マクロを一段階展開したものが得られる
マクロで普通にプログラミング出来る

例 : unroll
(defkernelmacro unroll ((n offset) &body body)
`(progn
,@(loop for i below n
collect `(symbol-macrolet ((,offset ,i))
,@body))))
(defkernel test-unroll (void ((input-buffer float*)
(output-buffer float*)))
(let ((offset (* 4 (to-int (get-global-id 0)))))
(unroll (4 i)
(set (aref output-buffer (+ offset i))
(aref input-buffer (+ offset i))))))
int offset = (4 * (int)(get_global_id(0)));
output_buffer[(offset + 0)] = input_buffer[(offset + 0)];

例 : unroll-let
(defkernelmacro unroll-let ((n offset vars) &body body)
(let ((unrolled-vars (gensym))
(collected-vars (gensym)))
(setf unrolled-vars (loop for (name init) in vars
collect (loop for i below n
collect (list (gensym (symbol-name name))
init)))
collected-vars (loop for i below n
collect (mapcar #'list
(mapcar #'car vars)
(mapcar #'(lambda (x) (car (nth i x)))
unrolled-vars))))
(append (list 'let
(reduce #'append unrolled-vars))
(loop for expr in body
append (loop for i below n
collect `(symbol-macrolet ((,offset ,i)
,@(nth i collected-vars))
,expr))))))
中間変数定義もアンロール

例 : unroll-let
(defkernel test-unroll-let (void ((input0-buffer float*)
(input1-buffer float*)
(let ((offset (* 4 (to-int (get-global-id 0)))))
(unroll-let (4 i ((alfa 0.0) (bravo 0.0)))
(set alfa (aref input0-buffer (+ offset i)))
(set bravo (aref input1-buffer (+ offset i)))
(set (aref output-buffer (+ offset i)) (+ alfa bravo)))))

例 : unroll-let
int offset = (4 * (int)(get_global_id(0)));
{
float alfa898 = 0.0f;
float bravo902 = 0.0f;
alfa898 = input0_buffer[(offset + 0)];
bravo902 = input1_buffer[(offset + 0)];
output_buffer[(offset + 0)] = (alfa898 + bravo902);
}

例 : unroll-sphere
(defkernelmacro unroll-sphere ((r vx vy vz) &body body)
`(progn
,@(loop for z from (- r) to r
append (loop for y from (- r) to r
append (loop for x from (- r) to r
when (>= r (sqrt (+ (* z z)
(* y y)
(* x x))))
collect `(symbol-macrolet ((,vz ,z)
(,vy ,y)
(,vx ,x))
,@body))))))
半径rの球へのアクセスを展開

例 : unroll-sphere
(defkernel test-unroll-sphere (void ((input-buffer float*)
(let ((gx (to-int (get-global-id 0)))
(gy (to-int (get-global-id 1)))
(gz (to-int (get-global-id 2)))
(sx (to-int (get-global-size 0)))
(sy (to-int (get-global-size 1)))
(total 0.0))
(unroll-sphere (2 vx vy vz)
(set total (+ total
(aref input-buffer (+ (* (+ gz vz) sy sx)
(* (+ gy vy) sx)
(+ gx vx))))))
(set (aref output-buffer (+ (* gz sy sx)
(* gy sx)
gx))
total)))

例 : unroll-let
int gx = (int)(get_global_id(0));
int gy = (int)(get_global_id(1));
int gz = (int)(get_global_id(2));
int sx = (int)(get_global_size(0));
int sy = (int)(get_global_size(1));
float total = 0.0f;
total = (total + input_buffer[(((((gz + -2) * sy) * sx) + ((gy + 0) * sx)) + (gx + 0))]);
total = (total + input_buffer[(((((gz + -1) * sy) * sx) + ((gy + -1) * sx)) + (gx + -1))]);
total = (total + input_buffer[(((((gz + -1) * sy) * sx) + ((gy + -1) * sx)) + (gx + 0))]);
… (中略) ...
total = (total + input_buffer[(((((gz + 1) * sy) * sx) + ((gy + 1) * sx)) + (gx + 0))]);
output_buffer[((((gz * sy) * sx) + (gy * sx)) + gx)] = total;

おわりに
●
Common LispでCUDAもOpenCLも出来る
●
カーネルのチューニングにCommon Lispの
マクロ使うと便利そう

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