✎ formation:insa2020gpu[CBP]

✎ formation:insa2020gpu
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====== TP INSA 2020-2021 : le GPU par la pratique ======

Cette session pratique accompagne le [[http://www.cbp.ens-lyon.fr/emmanuel.quemener/documents/PresentationGPU_20201130_EQ.pdf|cours]] du 30 novembre au matin réalisé par Emmanuel Quémener.

===== CQQCOQP : Comment ? Qui ? Quand ? Combien ? Où ? Quoi ? Pourquoi ? =====

  * **Pourquoi ?** Faire un tour d'horizon des GPUs et appréhender des méthodes d'investigation
  * **Quoi ?** Tester les GPU sur des exemples simples pendant deux séances de 4 heures
  * **Quand ?** Les lundi 7 décembre 2020, 4 janvier 2021, 11 janvier 2021, 18 janvier 2021
  * **Combien ?** Mesurer la performance que les GPUs offrent en comparaison des autres machines 
  * **Où ?** Sur des stations de travail, des noeuds de cluster, des portables (bien configurés), dans des terminaux
  * **Qui ?** Pour les édudiants, enseignants, chercheurs, personnels techniques curieux 
  * **Comment ?** En appliquant quelques commandes simples, généralement dans des terminaux.

===== But de la session =====
 
C'est de prendre en main les GPU dans les machines, de comparer les performances avec des CPU classiques par l'intermédiaire de quelques exemples simples et des codes de production.

===== Déroulement de la session =====
 
  * Investiguer le matériel GPU 
  * Exploration avec le "coeur" du GPU : xGEMM 
  * Exploration des GPU avec un Pi Monte Carlo 
  * Exploration par un corps N-Corps à "grain fin" : ''NBody.py'' 
  * Exploration de "codes métier" : [[https://www.tensorflow.org/|TensorFlow]], [[https://www.r-ccs.riken.jp/labs/cbrt/|GENESIS]] et [[http://www.gromacs.org/|Gromacs]]

===== Démarrage de la session =====
 
==== Prérequis en matériel, logiciel et humain ====

De manière à proposer un environnement pleinement fonctionnel, le Centre Blaise Pascal fournit le matériel, les logiciels et un OS correctement intégré. Les personnes qui veulent réaliser cette session sur leur laptop doivent disposer d'un "vrai" système d'exploitation de type Unix, équipé de tout l'environnement adéquat.

Le contexte sanitaire de cette année 2020 impose d'entreprendre ces travaux pratiques de manière distancielle. Pour se trouver dans des conditions les plus proches de celles de la salle de formation, quelques prérequis sont nécessaires.

=== Prérequis pour le matériel ===
 
  * Si vous n'utilisez PAS le CBP, une machine relativement récente avec un GPU intégré avec circuit Nvidia
  * Si vous utilisez le CBP, un laptop disposant d'un écran assez confortable pour afficher une fenêtre de 1024x768, une connexion réseau la plus stable possible et la capacité d'y installer un logiciel adapté.

=== Prérequis pour le logiciel ===

  * Si vous n'utilisez pas le CBP, un OS GNU/Linux correctement configuré pour le GPU embarqué avec tous les composants Nvidia, OpenCL, PyOpenCL, PyCUDA. A cela s'ajoute un navigateur pour voir cette page ainsi qu'un traitement de texte pour rédiger le compte-rendu de ces séances.
  * Si vous utilisez le CBP, il faut avoir installé le logiciel [[https://wiki.x2go.org/doku.php/download:start|x2goclient]] suivant les recommandations de la [[ressources:x2go4cbp|documentation du CBP]]. Il est recommandé d'exploiter le traitement de texte et le navigateur dans la session distante.

Pour choisir "judicieusement" une machine parmi la (presque) centaine de machines à disposition, consultez la page [[https://www.cbp.ens-lyon.fr/python/forms/CloudCBP|Cloud@CBP]]. Il est recommandé de prendre une machine disposant d'un GPU de type "Gamer" ou d'un "GPGPU". Les sélecteurs de la page précédente peuvent vous aider dans ce choix. Coordonnez vous entre vous pour être si possible chacun sur la vôtre.

=== Prérequis pour l'humain === 

  * Une allergie à la commande en ligne peut dramatiquement réduire la portée de cette session pratique
  * Une pratique des scripts shell sera un avantage, sinon vous avez cette session pour parfaire vos connaissances.

===== Investiguer le matériel GPU =====

==== Qu'y a-t-il dans ma machine ? ====

Le matériel en Informatique Scientifique est défini par [[https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e5/Von_Neumann_Architecture.svg|l'architecture de Von Neumann]]:
  * CPU (Unité Centrale de Traitement) avec CU (Unité de Contrôle) et ALU (Unité Arithmétique & Logique)
  * MU (Unité de Mémoire)
  * Input and Output Devices : Périphériques d'Entrée et Sortie

Les GPU sont généralement considérés comme des périphériques d'Entrée/Sortie. Comme la plupart des périphériques installés dans les machines, ils exploitent un bus d'interconnexion [[https://en.wikipedia.org/wiki/Conventional_PCI|PCI]] ou [[https://en.wikipedia.org/wiki/PCI_Express|PCI Express]].

Pour récupérer la liste des périphériques PCI, utilisez la commande ''lspci -nn''. A l'intérieur d'une longue liste apparaissent quelques périphériques **VGA** ou **3D**. Ce sont les périphériques GPU ou GPGPU.

Voici une sortie de la commande ''lspci -nn | egrep '(VGA|3D)' '' :
<code>
3b:00.0 VGA compatible controller [0300]: NVIDIA Corporation GP102 [GeForce GTX 1080 Ti] [10de:1b06] (rev a1)
a1:00.0 VGA compatible controller [0300]: NVIDIA Corporation GK107GL [Quadro K420] [10de:0ff3] (rev a1)
</code>

<note warning>
**Exercice #1: récuperez la liste des périphériques (GP)GPU**

  * Combien de périphériques VGA sont listés ? 
  * Combien de périphériques 3D sont listés ?
  * Récupérez le modèle du circuit de GPU, dans son nom étendu.
  * Récupérez sur le web les informations suivantes pour chaque GPU :
    * le nombre d'unités de calcul (les "cuda cores" ou les "stream processors")
    * la fréquence de base des coeurs de calcul
    * la fréquence de la mémoire
</note>

La totalité des stations de travail contiennent des cartes Nvidia.

Dans les systèmes **Posix** (**Unix** dans le langage courant), tout est fichier. Les informations sur les circuits Nvidia et leur découverte par le système d'exploitation peuvent être récupérées avec un ''grep'' dans la commande ''dmesg''.

Si le démarrage de la machine n'est pas trop ancien, vous disposez des informations comparables aux suivantes :
<code>
[   19.545688] NVRM: The NVIDIA GPU 0000:82:00.0 (PCI ID: 10de:1b06)
               NVRM: NVIDIA Linux driver release.  Please see 'Appendix
               NVRM: A - Supported NVIDIA GPU Products' in this release's
               NVRM: at www.nvidia.com.
[   19.545903] nvidia: probe of 0000:82:00.0 failed with error -1
[   19.546254] NVRM: The NVIDIA probe routine failed for 1 device(s).
[   19.546491] NVRM: None of the NVIDIA graphics adapters were initialized!
[   19.782970] nvidia-nvlink: Nvlink Core is being initialized, major device number 244
[   19.783084] NVRM: loading NVIDIA UNIX x86_64 Kernel Module  375.66  Mon May  1 15:29:16 PDT 2017 (using threaded interrupts)
[   19.814046] nvidia-modeset: Loading NVIDIA Kernel Mode Setting Driver for UNIX platforms  375.66  Mon May  1 14:33:30 PDT 2017
[   20.264453] [drm] [nvidia-drm] [GPU ID 0x00008200] Loading driver
[   23.360807] input: HDA NVidia HDMI/DP,pcm=3 as /devices/pci0000:80/0000:80:02.0/0000:82:00.1/sound/card2/input19
[   23.360885] input: HDA NVidia HDMI/DP,pcm=7 as /devices/pci0000:80/0000:80:02.0/0000:82:00.1/sound/card2/input20
[   23.360996] input: HDA NVidia HDMI/DP,pcm=8 as /devices/pci0000:80/0000:80:02.0/0000:82:00.1/sound/card2/input21
[   23.361065] input: HDA NVidia HDMI/DP,pcm=9 as /devices/pci0000:80/0000:80:02.0/0000:82:00.1/sound/card2/input22
[   32.896510] [drm] [nvidia-drm] [GPU ID 0x00008200] Unloading driver
[   32.935658] nvidia-modeset: Unloading
[   32.967939] nvidia-nvlink: Unregistered the Nvlink Core, major device number 244
[   33.034671] nvidia-nvlink: Nvlink Core is being initialized, major device number 244
[   33.034724] NVRM: loading NVIDIA UNIX x86_64 Kernel Module  375.66  Mon May  1 15:29:16 PDT 2017 (using threaded interrupts)
[   33.275804] nvidia-nvlink: Unregistered the Nvlink Core, major device number 244
[   33.993460] nvidia-nvlink: Nvlink Core is being initialized, major device number 244
[   33.993486] NVRM: loading NVIDIA UNIX x86_64 Kernel Module  375.66  Mon May  1 15:29:16 PDT 2017 (using threaded interrupts)
[   35.110461] nvidia-modeset: Loading NVIDIA Kernel Mode Setting Driver for UNIX platforms  375.66  Mon May  1 14:33:30 PDT 2017
[   35.111628] nvidia-modeset: Allocated GPU:0 (GPU-ccc95482-6681-052e-eb30-20b138412b92) @ PCI:0000:82:00.0
[349272.210486] nvidia-uvm: Loaded the UVM driver in 8 mode, major device number 243
</code>

<note warning>
**Exercice #2 : récupérez les informations de votre machine avec ''dmesg | grep -i nvidia''**
  * Quelle est la version de pilote chargée par le noyau ?
  * Que représente, s'il existe, le  périphérique ''input: HDA NVidia'' ? 
  * Est-ce un périphérique graphique ?
</note>

Le ''lsmod'' offre la liste des modules chargés par le noyau. Ces modules sont de petits programmes dédiés au support d'une fontion très spécifique du noyau, le moteur du système d'exploitation. Le support d'un périphérique nécessite souvent plusieurs modules.

Un exemple de ''lsmod | grep nvidia'' sur une station de travail :
<code>
nvidia_uvm            778240  0
nvidia_drm             40960  4
nvidia_modeset       1044480  3 nvidia_drm
nvidia              16797696  108 nvidia_modeset,nvidia_uvm
ipmi_msghandler        49152  1 nvidia
drm_kms_helper        155648  1 nvidia_drm
drm                   360448  7 nvidia_drm,drm_kms_helper
</code>

Nous voyons que 4 modules sont chargés. La dernière colonne (vide pour les deux premières lignes) liste les dépendances entre les modules. Ici ''nvidia_modeset'' and ''nvidia_uvm'' dépendent du module ''nvidia''.

<note warning>
**Exercice #3 : récupérez les informations de l'hôte par la commande ''lsmod | grep nvidia''**

  * Les informations sont-elles identiques à celles ci-dessus ? Caractère par caractère ?
</note>

Le périphérique apparaît également dans le dossier ''/dev'' (pour //device//), le dossier parent pour tous les périphériques.

Un ''ls -l /dev/nvidia*'' offre ce genre d'informations :<code>
crw-rw-rw- 1 root root 195,   0 Jun 30 18:17 /dev/nvidia0
crw-rw-rw- 1 root root 195, 255 Jun 30 18:17 /dev/nvidiactl
crw-rw-rw- 1 root root 195, 254 Jun 30 18:17 /dev/nvidia-modeset
crw-rw-rw- 1 root root 243,   0 Jul  4 19:17 /dev/nvidia-uvm
crw-rw-rw- 1 root root 243,   1 Jul  4 19:17 /dev/nvidia-uvm-tools
</code>

Vous pouvez voir que chacun peut accéder au périphérique, à la fois en lecture ET en écriture (le ''RW''). Ici, vous avez un seul périphérique Nvidia, ''nvidia0''. Sur une machine disposant de plusieurs périphériques Nvidia, nous aurions : ''nvidia0'', ''nvidia1'', etc...

<note warning>
**Exercice #4 : récupérez les informations de votre machine avec ''ls -l /dev/* | grep -i nvidia''**

  * Combien de ''/dev/nvidia<number>'' avez-vous ?
  * Cette information est-elle cohérente avec les 3 précédentes ?
</note>

Nvidia présente des informations sur l'usage instantané de ses circuits avec la commande ''nvidia-smi''. Cette commande peut aussi être exploitée pour régler certains paramètres du GPU.

Voici un exemple de sortie de la commande ''nvidia-smi'' :
<code>
Fri Jul  7 07:46:56 2017       
+-----------------------------------------------------------------------------+
| NVIDIA-SMI 375.66                 Driver Version: 375.66                    |
|-------------------------------+----------------------+----------------------+
| GPU  Name        Persistence-M| Bus-Id        Disp.A | Volatile Uncorr. ECC |
| Fan  Temp  Perf  Pwr:Usage/Cap|         Memory-Usage | GPU-Util  Compute M. |
|===============================+======================+======================|
|   0  GeForce GTX 108...  Off  | 0000:82:00.0      On |                  N/A |
| 23%   31C    P8    10W / 250W |     35MiB / 11172MiB |      0%      Default |
+-------------------------------+----------------------+----------------------+
                                                                               
+-----------------------------------------------------------------------------+
| Processes:                                                       GPU Memory |
|  GPU       PID  Type  Process name                               Usage      |
|=============================================================================|
|    0      4108    G   /usr/lib/xorg/Xorg                              32MiB |
+-----------------------------------------------------------------------------+
</code>

Beaucoup d'informations sont disponibles sur cette sortie :
  * version du pilote et du logiciel ''nvidia-smi''
  * l'identifiant de chaque GPU
  * son nom
  * sa localisation sur le bus PCIe
  * sa vitesse de ventilateur
  * sa température
  * ses puissances : instantanée et maximale
  * ses "occupations" mémoire : instantanée et maximale
  * les processus les exploitant, leur consommation de mémoire et le GPU associé

<note warning>
**Exercice #5 : récupérez les informations avec la commande ''nvidia-smi''**

  * Identifiez les caractéristiques ci-dessus et comparer les éléments
  * Combien de processus sont-ils listés ?
</note>

Comme nous l'avons vu dans l'introduction sur le GPU, leur programmation peut-être réalisée par différentes voies. La première, pour les périphériques Nvidia, est d'utiliser l'environnement CUDA. Le problème sera qu'il est impossible de réexploiter votre programme sur une autre plate-forme (un CPU) ou la comparer avec d'autres GPU. [[https://www.khronos.org/opencl/|OpenCL]] reste une approche beaucoup plus polyvalente !

Sur les stations du CBP, la majorité des implémentations de OpenCL sont disponibles, autant sur CPU que sur GPU.

La commande ''clinfo'' récupère des informations liées à tous les périphériques OpenCL disponibles. 
Pour récupérer une sortie compacte, utilisez ''clinfo '-l' ''.

Tous les périphériques OpenCL sont présentés suivant une hiérarchie plateforme/périphérique (''Platform/Device'').

Voici une sortie de ''clinfo '-l' '' pour une des stations de travail :<code>
Platform #0: AMD Accelerated Parallel Processing
 `-- Device #0: Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2637 v4 @ 3.50GHz
Platform #1: Portable Computing Language
 `-- Device #0: pthread-Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2637 v4 @ 3.50GHz
Platform #2: NVIDIA CUDA
 +-- Device #0: GeForce GTX 1080 Ti
 `-- Device #1: Quadro K420
Platform #3: Intel(R) OpenCL
 `-- Device #0: Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2637 v4 @ 3.50GHz
</code>

  * ''#0,#0'' **AMD Accelerated Parallel Processing** : implémentation CPU de AMD, la plus ancienne, très proche de OpenMP en performances
  * ''#1,#0'' **Portable Computing Language** : implémentation CPU OpenSource. Pas vraiment efficace
  * ''#2,#0'' **Nvidia CUDA** : implémentation CUDA de Nvidia, périphérique 0, une GeForce GTX 1080 Ti
  * ''#2,#1'' **Nvidia CUDA** : implémentation CUDA de Nvidia, périphérique 1, une Quadro K420
  * ''#3,#0'' **Intel(R) OpenCL** : implémentation CPU Intel, plutôt très efficace

Ainsi, dans cette machine, 5 périphériques OpenCL sont accessibles, 3 permettent de s'adresser au processeur (vu pour le coup comme un périphérique) et 2 sont des GPU Nvidia.

<note warning>
**Exercice #6 : récupérez les informations avec la commande ''clinfo -l''**

  * Identifiez et comparez votre sortie avec la liste ci-dessus
  * De combien de périphériques graphiques disposez-vous ?
</note>

L'appel de la commande ''clinfo'' fournit également de nombreuses informations. Cependant, il est impossible avec cette commande de ne récupérer les informations que d'un seul périphérique : la commande ''egrep'' permet alors de restreindre seulement certains attributs, par exemple ''Platform Name'',''Device Name'',''Max compute'',''Max clock''

Sur la plateforme précédente, la commande ''clinfo | egrep '(Platform Name|Device Name|Max compute|Max clock)' '' offre comme sortie:<code>
  Platform Name                                   AMD Accelerated Parallel Processing
  Platform Name                                   Portable Computing Language
  Platform Name                                   NVIDIA CUDA
  Platform Name                                   Intel(R) OpenCL
  Platform Name                                   AMD Accelerated Parallel Processing
  Device Name                                     Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2637 v4 @ 3.50GHz
  Max compute units                               16
  Max clock frequency                             1200MHz
  Platform Name                                   Portable Computing Language
  Device Name                                     pthread-Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2637 v4 @ 3.50GHz
  Max compute units                               16
  Max clock frequency                             3501MHz
  Platform Name                                   NVIDIA CUDA
  Device Name                                     GeForce GTX 1080 Ti
  Max compute units                               28
  Max clock frequency                             1582MHz
  Device Name                                     Quadro K420
  Max compute units                               1
  Max clock frequency                             875MHz
  Platform Name                                   Intel(R) OpenCL
  Device Name                                     Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2637 v4 @ 3.50GHz
  Max compute units                               16
  Max clock frequency                             3500MHz
</code>

Nous distinguons bien les éléments des 5 périphériques OpenCL déjà identifiés au-dessus (3 pour les 3 implémentations de CPU, respectivement d'AMD, PortableCL et Intel) et les deux GPU Nvidia (GTX 1080 Ti et Quadro K420). 

Nous constatons par exemple que les nombres d'unités de traitement sont identiques pour les implémentations CPU (16) mais que leurs fréquences ne le sont pas (1200, 3501, 3500 MHz). 

L'implémentation AMD récupère, elle, la fréquence instantanée, et les deux autres la fréquence maximale. 

Pour les GPU, nous constatons que les fréquences sont bien inférieures à celles des GPU (1582 et 875 MHz). 

Quant aux nombres d'unités de calcul (//compute units//), la première en dispose de 28 et la seconde de 1. Il sera donc intéressant de comparer ces valeurs par rapport aux valeurs trouvables dans les spécifications constructeur.

La notion d'unité de traitement (//compute unit//) pour les CPU n'est pas la même pour les GPU:
  * pour les CPU, c'est généralement le produit du nombre de coeurs physiques et du nombre de //threads//
  * pour les GPU, c'est le nombre de macro-unités de traitement : unité **SM** (pour //Stream multiprocessor//) chez Nvidia, unité **CU** (pour //Compute Unit//) chez AMD/ATI.

Ces unités de traitement disposent (autant pour les GPU que les CPU) d'unités arithmétiques et logiques (//Arithmetic and Login Unit//) lesquelles sont //vraiment// en charge du traitement des opérations. 

Ainsi, le nombre d'ALU dans chaque //Compute Unit// varie de 64 à 192 selon les générations de GPU. Ainsi, pour le GPU ci-dessus GTX 1080 Ti, le nombre de //Compute Unit// mentionné est 28, et le nombre d'ALU (appelé également //cuda core// par Nvidia) est de 3584 soit 28*128. Le schéma du constructeur du circuit GP102 suivant est trompeur : en fait, il dispose de 30 unités SM, mais sur un GP102, seuls 28 sont activés.
{{ :formation:gp102-block-diagram.jpg?direct&400 |GP102}}

<note warning>
**Exercice #7 : récupérez les informations à l'aide de deux commandes précédentes utilisant ''clinfo'' **

  * Comparez les informations entre les implémentations CPU. Pourquoi ces différences ?
  * Comparez le nombre d'unités de traitement des CPU avec celles du Web : [[https://ark.intel.com/fr|Ark d'Intel]]
  * Comparez le nombre d'unités de traitement des GPU avec celles du Web : site [[https://www.nvidia.com/page/products.html#Architectures|spécifications]] de Nvidia ou Wikipedia
  * Comparez les fréquences identifiées avec celles trouvées sur le Web.
  * Retrouvez-vous une cohérence entre le nombre de //Compute Units// et le nombre de //cuda cores// ? 
  * Combien de //cuda cores// contient chaque //Compute Unit// ?
</note>

Il est aussi possible de choisir quel GPU Nvidia exploiter avec la variable d'environnement ''CUDA_VISIBLE_DEVICES''. Il existe deux manières de l'exploiter :
  * en préfixant la commande à exécuter (ou son programme) par ''CUDA_VISIBLE_DEVICES=#GPU''
  * en //exportant// la variable de manière permanente avec : ''export CUDA_VISIBLE_DEVICES=#GPU''

La commande ''nvidia-smi'' offrait une liste de périphériques Nvidia identifiés mais les ''ID'' donnés sont dans l'ordre inverse de celui exigé par ''CUDA_VISIBLE_DEVICES''. Par exemple, ''nvidia-smi'' donne comme ''ID'' les nombres ''0'' et ''1''. 
<code>
# N'exploiter que le GPU identifie #0 avec nvidia-smi
CUDA_VISIBLE_DEVICES=1 <MonProgramme>
# N'exploiter que le GPU identifie #1 avec nvidia-smi
CUDA_VISIBLE_DEVICES=0 <MonProgramme>
# Exploiter les GPUs identifies #0 et #1 avec nvidia-smi
CUDA_VISIBLE_DEVICES=0,1 <MonProgramme>
# N'exploiter aucun GPU
CUDA_VISIBLE_DEVICES='' <MonProgramme>
</code>

<note warning>
**Exercice #8 : récupérez les informations avec ''clinfo -l'' préfixée de CUDA_VISIBLE_DEVICES**

  * Mettez ''CUDA_VISIBLE_DEVICES=0 clinfo -l'' et observez la sortie
  * Mettez ''CUDA_VISIBLE_DEVICES=1 clinfo -l'' et observez la sortie
  * Mettez ''CUDA_VISIBLE_DEVICES=0,1 clinfo -l'' et observez la sortie
  * Mettez ''CUDA_VISIBLE_DEVICES=\'\' clinfo -l'' et observez la sortie
  * Avez-vous constaté la sélection des différents périphériques ?
</note>
===== Exploration avec le "coeur" du GPU : xGEMM =====

Dans l'introduction sur les GPU, il était présenté le GPU comme un "gros" multiplicateur de matrices. 

En effet, la méthode par //shadering// exploitait de nombreuses multiplications matricielles pour générer une image numérique (CGI ou //Compute Generated Image//). Il n'est donc pas étonnant que les GPU soient, historiquement, plutôt "efficaces" pour ce type de tâches : nous allons l'évaluer.

==== Chargement de l'environnement de programmation ====

Le point traité dans l'exercice #2 a montré comment le système représentait les périphériques de type GPU dans le dossier ''/dev''. 

De manière à exploiter ces GPU, d'autres composants sont nécessaires : les **librairies**. De plus, si un programme exploitant ces librairies doit être compilé, il est nécessaire de lui fournir les //prototypes// (d'extension ''.h''). 

Ces librairies, prototypes voire programmes forment un //environnement de programmation// et plusieurs peuvent cohabiter sur un même système.

Par défaut, sur les machines du CBP, l'environnement **CUDA** est celui de la distribution, la **9.2**. Pour exploiter les GPU récents (RTX 3070, RTX 3090, A100), il est indispensable d'utiliser un CUDA récent, le **11.1** associé au driver **455** minimum.

Le gros souci de ces environnements, c'est que chaque application //métier// va exploiter une version de CUDA et pas un autre. Dans la majorité des cas, cela ne fonctionne pas : c'est, soit trop récent, soit trop ancien.

La définitin de l'environnement CUDA version 11.1 s'effectue avec le chargement du module ''cuda/11.1''
<code>
. /usr/share/modules/init/bash
module load cuda/11.1
</code>
==== De BLAS aux xGEMM : les différentes implémentations ====

En calcul scientifique, l'objectif est de ne pas réinventer la roue à chaque modélisation numérique. Depuis presque 40 ans, la libraire d'algèbre linéaire la plus courante est la BLAS pour [[https://en.wikipedia.org/wiki/Basic_Linear_Algebra_Subprograms|//Basic Linear Algebra Subprograms//]].

Ces routines peuvent être considérées comme des //standards//. De nombreuses implémentations existent pour toutes les architectures. Sur GPU, Nvidia propose sa propre version avec [[http://docs.nvidia.com/cuda/cublas/index.html|cuBLAS]] et AMD a placé en //Open Source// la sienne [[https://github.com/clMathLibraries/clBLAS|clBLAS]]. 

Sur les CPU, Intel propose son implémentation largement optimisée pour ses processeurs au sein des [[https://software.intel.com/en-us/mkl|librairies MKL]] mais les versions Open Sourcen notamment [[http://www.openblas.net/|OpenBLAS]], n'ont rien à leur envier. D'autres implémentations sont installées au CBP : l'[[http://math-atlas.sourceforge.net/|ATLAS]] et la [[https://www.gnu.org/software/gsl/|GSL]].

Les librairies BLAS sont dans 3 catégories : celles manipulant exclusivement les vecteurs (1 dimension), celles manipulant les matrices et les vecteurs (1 et 2 dimensions), enfin celles manipulant exclusivement les matrices (2 dimensions).

L'implémentation de la multiplication de matrices dans les libairies BLAS est la ''xGEMM'', avec ''x'' à remplacer par ''S'', ''D'', ''C'' et ''Z'' respectivement pour la **S**imple précision (32 bits), la **D**ouble précision (64 bits), la **C**omplexe & simple précision et complexe & double précision (**Z**).

L'objectif de cette première manipulation est de commencer à comparer les GPU et les CPU avec cette opération simple.

=== Récupération des sources ===

La (presque) totalité des outils exploités par le CBP pour comparer les CPU et les GPU se trouve dans le projet [[https://forge.cbp.ens-lyon.fr/redmine/projects/bench4gpu|bench4gpu]] du Centre Blaise Pascal.

La récupération des sources est libre et se réalise par l'outil subversion :<code>
svn checkout https://forge.cbp.ens-lyon.fr/svn/bench4gpu/
</code>

Dans ce dossier ''bench4gpu'', il y a plusieurs dossiers :
  * ''BLAS'' contenant les dossiers ''xGEMM'' et ''xTRSV'' : tests exploitant toutes les implémentations de librairies BLAS
  * ''Epidevomath'' : un prototype d'implémentation sur GPU d'un projet (abandonné)
  * ''FFT'' contenant une première exploitation de **cuFFT** (en suspens)
  * ''Ising'' : implémentations multiples du [[https://fr.wikipedia.org/wiki/Mod%C3%A8le_d%27Ising|modèle d'Ising]] en Python (multiples parallélisations) 
  * ''NBody'' : implémentation en OpenCL d'un modèle N-Corps newtonien
  * ''Pi'' : implémentation multiples d'un [[https://fr.wikipedia.org/wiki/M%C3%A9thode_de_Monte-Carlo|Pi Monte Carlo]]
  * ''Splutter'' : un modèle de ''postillonneur mémoire'', très utile pour évaluer les //fonctions atomiques//

De tous ces programmes, seuls ceux présents dans ''BLAS'', ''NBody'' et ''Pi'' seront exploités dans le cadre de ces travaux pratiques.

==== Exploitations de xGEMM  ====

Le dossier ''bench4gpu/BLAS/xGEMM'' contient peu de fichiers dont les importants sont : un unique programme source, ''xGEMM.c'', et un fichier de construction, ''Makefile''. C'est ce fichier qui va ''construire'' tous les exécutables d'un coup, à la fois pour les différentes implémentations de BLAS, mais aussi pour les deux précisions **SP** (simple précision sur 32 bits) et **DP** (double précision sur 64 bits).

=== Le source ===

Le programme source ''xGEMM.c'' a été conçu pour fonctionner avec n'importe quelle implémentation. Si vous l'éditez, vous réalisez qu'il n'est pas si simple d'avoir un programme qui s'exécute indifféremment quelle que soit la librairie. Même si les appels sont comparables (même nombre d'attributs dans les fonctions), leur nom change de librairie à librairie. Pour n'avoir qu'un seul source, les directives sont largement exploitées. C'est donc le ''Makefile'' qui va permettre de ne compiler que telle ou telle portion du programme source.

<note warning>
**Exercice #9 : éditez le source du programme ''xGEMM.c'' et repérez les éléments suivants**

  * Identifiez dans ''Makefile'' quelles directives (précédées par ''-D'') sont associées aux différentes implémentations
  * Identifiez dans ''xGEMM.c'' les "directives" C à base de ''#ifdef'' utilisées pour séparer les différentes implémentations
  * Repérez les deux implémentations **FBLAS** et **OpenBLAS** dans le programme à partir de l'analyse du ''Makefile''
  * Quelle différence existe-t-il dans les appels de la fonction ''xGEMM'' ?
  * Repérez les deux implémentations pour GPU Nvidia, les **cublas** et **thunking**
  * Par quoi se distinguent les versions **cublas** et **thunking** ?*
</note>

=== Les exécutables ===

C'est simplement en lançant la commande ''make'' dans le dossier que la compilation s'opère. Ainsi, tous les exécutables commencent par ''xGEMM_SP_'' ou ''xGEMM_DP_''. Ils sont ensuite suffixés par l'implémentation BLAS :

Nous avons alors 12 exécutables de la forme ''xGEMM_SP_<version>'' ou ''xGEMM_DP_<version>'' :  
  * ''fblas'' utilisant la librairie ATLAS, pour CPU
  * ''openblas'' utilisant la librairie OpenBLAS, pour CPU
  * ''gsl'' utilisant la librairie GSL (pour //GNU Scientific Librairies//)
  * ''cublas'' utilisant la librairie cuBLAS avec une gestion externe de la mémoire
  * ''thunking'' utilisant la librairie cuBLAS avec une gestion interne de la mémoire
  * ''clblas'' utilisant la librairie clBLAS et OpenCL

Le programme appelé avec l'option ''-h'' donne quelques informations pour le lancement.

A l'exception de ''xGEMM_SP_clblas'' et ''xGEMM_DP_clblas'', les paramètres d'entrée sont :
  * la taille de la matrice
  * le nombre d'itérations

Pour les programmes ''xGEMM_SP_clblas'' et ''xGEMM_DP_clblas'', les paramètres d'entrée sont :
  * la taille de la matrice
  * le nombre d'itérations
  * l'ID de la plateforme
  * l'ID du périphérique

En appelant ces deux exécutables avec l'option ''-h'', le programme détecte les plates-formes et périphériques.

La sortie offre comme informations :
  * la durée moyenne d'exécution de chaque cycle
  * l'estimation du nombre de GFlops
  * l'erreur estimée par le calcul de la trace des matrices

Voici quelques exemples de lancement de ces exécutables sur une même machine, pour les CPU exclusivement :<code>
$ ./xGEMM_SP_fblas 1000 10 
Using FBLAS: 10 iterations for 1000x1000 matrix

Duration of each cycle : 0.1597913000 s
Number of GFlops : 25.020 
Error 0.0000000000

$ ./xGEMM_SP_gsl 1000 10 
Using GSL: 10 iterations for 1000x1000 matrix

Duration of each cycle : 1.4037233000 s
Number of GFlops : 2.848 
Error 0.0000000000

$ ./xGEMM_SP_openblas 1000 10 
Using CBLAS: 10 iterations for 1000x1000 matrix

Duration of each cycle : 0.0109249000 s
Number of GFlops : 365.953 
Error 0.0000000000
</code>

Voici quelques exemples de lancement de ces exécutables sur une même machine, pour les GPU exclusivement :<code>
$ ./xGEMM_SP_cublas 1000 10
Using CuBLAS: 10 iterations for 1000x1000 matrix

Duration of memory allocation : 0.3678790000 s
Duration of memory free : 0.0007630000 s
Duration of each cycle : 0.0007413000 s
Number of GFlops : 5393.228 
Error 0.0000000000

$ ./xGEMM_SP_thunking 1000 10
Using CuBLAS/Thunking: 10 iterations for 1000x1000 matrix

Duration of each cycle : 0.0447023000 s
Number of GFlops : 89.436 
Error 0.0000000000
</code>

Nous constatons d'abord une grosse disparité de performance. En analysant la durée d'un cycle, nous découvrons qu'il est inférieur à la milliseconde. Nous portons donc le nombre d'itérations à 1000, nous obtenons alors :
<code>
./xGEMM_SP_cublas 1000 1000 
Using CuBLAS: 1000 iterations for 1000x1000 matrix

Duration of memory allocation : 0.3984100000 s
Duration of memory free : 0.0006670000 s
Duration of each cycle : 0.0005262330 s
Number of GFlops : 7597.395 
Error 0.0000000000

root@opencluster2:/local/tests/bench4gpu/BLAS/xGEMM# ./xGEMM_SP_thunking 1000 1000 
Using CuBLAS/Thunking: 1000 iterations for 1000x1000 matrix

Duration of each cycle : 0.0073920040 s
Number of GFlops : 540.855 
Error 0.0000000000
</code>

Il faut donc prendre certaines précautions dans chaque évaluation de performances, notamment lorsque les durées d'exécution sont trop courtes.

Nous avons vu que plusieurs GPU peuvent coexister dans la machine. La question est de savoir lequel est sollicité lors d'un lancement de programme. Par défaut, avec les librairies CUDA, un seul GPU est sollicité, souvent le premier découvert. Pour savoir lequel a fait le travail, nous pouvons exploiter la commande ''nvidia-smi'' présentée ci-dessus pendant l'exécution du programme.

Dans le premier terminal qui nous sert à l'exécution des programmes, nous avons :
<code>
root@opencluster2:/local/tests/bench4gpu/BLAS/xGEMM# ./xGEMM_SP_cublas 1000 100000 
Using CuBLAS: 100000 iterations for 1000x1000 matrix

Duration of memory allocation : 0.3861840000 s
Duration of memory free : 0.0007770000 s
Duration of each cycle : 0.0005138863 s
Number of GFlops : 7779.931 
Error 0.0000000000
</code>

Dans le second terminal, dans lequel nous lançons des commandes de supervision, nous avons :
<code>
root@opencluster2:~# nvidia-smi 
Sat Nov 24 12:10:59 2018       
+-----------------------------------------------------------------------------+
| NVIDIA-SMI 384.130                Driver Version: 384.130                   |
|-------------------------------+----------------------+----------------------+
| GPU  Name        Persistence-M| Bus-Id        Disp.A | Volatile Uncorr. ECC |
| Fan  Temp  Perf  Pwr:Usage/Cap|         Memory-Usage | GPU-Util  Compute M. |
|===============================+======================+======================|
|   0  GeForce GTX 108...  Off  | 00000000:3B:00.0  On |                  N/A |
| 27%   52C    P2   254W / 250W |    248MiB / 11171MiB |     98%      Default |
+-------------------------------+----------------------+----------------------+
|   1  Quadro K420         Off  | 00000000:A1:00.0 Off |                  N/A |
| 25%   49C    P8    N/A /  N/A |     12MiB /  1999MiB |      0%      Default |
+-------------------------------+----------------------+----------------------+
                                                                               
+-----------------------------------------------------------------------------+
| Processes:                                                       GPU Memory |
|  GPU       PID   Type   Process name                             Usage      |
|=============================================================================|
|    0      6477      C   ./xGEMM_SP_cublas                            199MiB |
|    0      6681      G   /usr/lib/xorg/Xorg                            36MiB |
+-----------------------------------------------------------------------------+
</code>

Nous voyons que le GPU #0, identifié comme la GTX 1080 Ti, exécute 2 tâches : ''/usr/lib/xorg/Xorg'' et ''./xGEMM_SP_cublas''. Nous avons également l'empreinte mémoire de chacun des processus : 36MiB pour le ''Xorg'' et 199MiB pour notre programme ''xGEMM_SP_cublas''. 

La question légitime est de se demander, dans le cas d'une machine multi-gpu, comment "contrôler" sur quel GPU est exécuté le programme. Il existe des méthodes assez comparables à celles de OpenCL pour la découverte des périphériques, mais elles sont généralement peu exploitées dans les programmes. La technique la plus classique reste l'utilisation d'une variable d'environnement, laquelle va "contraindre" l'exploitation d'un (ou plusieurs) GPU(s) : ''CUDA_VISIBLE_DEVICES''.

Par exemple, si nous précisons que cette variable vaut ''1'', le périphérique Nvidia ''#1'' sera le seul sollicité. Ainsi, en lançant la commande préfixée de cette variable valuée, nous avons :
<code>
$ CUDA_VISIBLE_DEVICES=1 ./xGEMM_SP_cublas 1000 1000
Using CuBLAS: 1000 iterations for 1000x1000 matrix

Duration of memory allocation : 0.1777080000 s
Duration of memory free : 0.0005750000 s
Duration of each cycle : 0.0283741830 s
Number of GFlops : 140.903 
Error 0.0000000000
</code>

Et pendant l'exécution, dans la fenêtre de commandes de supervision :
<code>
root@opencluster2:~# nvidia-smi 
Sat Nov 24 12:21:26 2018       
+-----------------------------------------------------------------------------+
| NVIDIA-SMI 384.130                Driver Version: 384.130                   |
|-------------------------------+----------------------+----------------------+
| GPU  Name        Persistence-M| Bus-Id        Disp.A | Volatile Uncorr. ECC |
| Fan  Temp  Perf  Pwr:Usage/Cap|         Memory-Usage | GPU-Util  Compute M. |
|===============================+======================+======================|
|   0  GeForce GTX 108...  Off  | 00000000:3B:00.0  On |                  N/A |
| 24%   37C    P8    12W / 250W |     39MiB / 11171MiB |      0%      Default |
+-------------------------------+----------------------+----------------------+
|   1  Quadro K420         Off  | 00000000:A1:00.0 Off |                  N/A |
| 30%   59C    P0    N/A /  N/A |     51MiB /  1999MiB |    100%      Default |
+-------------------------------+----------------------+----------------------+
                                                                               
+-----------------------------------------------------------------------------+
| Processes:                                                       GPU Memory |
|  GPU       PID   Type   Process name                             Usage      |
|=============================================================================|
|    0      6681      G   /usr/lib/xorg/Xorg                            36MiB |
|    1      8192      C   ./xGEMM_SP_cublas                             39MiB |
+-----------------------------------------------------------------------------+
</code>

Nous pouvons évidemment appliquer la même approche du préfixe avec l'autre implémentation CUDA (le mode //Thunking//) :
<code>
$ CUDA_VISIBLE_DEVICES=1 ./xGEMM_SP_thunking 1000 1000
Using CuBLAS/Thunking: 1000 iterations for 1000x1000 matrix

Duration of each cycle : 0.0361565210 s
Number of GFlops : 110.575 
Error 0.0000000000
</code>

Avec les implémentations OpenCL, il est possible, sans variable, de s'adresser avec un unique exécutable, à chacun des périphériques (CPU ou GPU) quelle que soit leur implémentation :<code>
$ ./xGEMM_SP_clblas 1000 10 0 0 
Using CLBLAS: 10 iterations for 1000x1000 matrix on (0,0)
Device (0,0): Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2637 v4 @ 3.50GHz

Duration of memory allocation : 0.2068470000 s
Duration of memory free : 0.0105010000 s
Duration of each cycle : 0.6236489000 s
Number of GFlops : 6.411 
Error 0.0000000000

$ ./xGEMM_SP_clblas 1000 10 1 0 
Using CLBLAS: 10 iterations for 1000x1000 matrix on (1,0)
Device (1,0): pthread-Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2637 v4 @ 3.50GHz
1 warning generated.
1 warning generated.
1 warning generated.
1 warning generated.
1 warning generated.
1 warning generated.
1 warning generated.
1 warning generated.
./xGEMM_SP_clblas: symbol lookup error: /root/.cache/pocl/kcache/DO/MOINFKPIFEHKLMFJBAMOHIHHPGDFMKFNMCFAG/sgemm_Col_NN_B0_MX032_NX032_KX08/16-16-1/sgemm_Col_NN_B0_MX032_NX032_KX08.so: undefined symbol: mem_fence
root@opencluster2:/local/tests/bench4gpu/BLAS/xGEMM# ./xGEMM_SP_clblas 1000 10 1 0 
Using CLBLAS: 10 iterations for 1000x1000 matrix on (1,0)
Device (1,0): pthread-Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2637 v4 @ 3.50GHz
./xGEMM_SP_clblas: symbol lookup error: /root/.cache/pocl/kcache/DO/MOINFKPIFEHKLMFJBAMOHIHHPGDFMKFNMCFAG/sgemm_Col_NN_B0_MX032_NX032_KX08/16-16-1/sgemm_Col_NN_B0_MX032_NX032_KX08.so: undefined symbol: mem_fence

$ ./xGEMM_SP_clblas 1000 1000 2 0
Using CLBLAS: 1000 iterations for 1000x1000 matrix on (2,0)
Device (2,0): GeForce GTX 1080 Ti

Duration of memory allocation : 0.3912880000 s
Duration of memory free : 0.0025020000 s
Duration of each cycle : 0.0029808910 s
Number of GFlops : 1341.210 
Error 0.0000000000

$ ./xGEMM_SP_clblas 1000 1000 2 1
Using CLBLAS: 1000 iterations for 1000x1000 matrix on (2,1)
Device (2,1): Quadro K420

Duration of memory allocation : 0.2507630000 s
Duration of memory free : 0.0019840000 s
Duration of each cycle : 0.1263268040 s
Number of GFlops : 31.648 
Error 0.0000000000

$ ./xGEMM_SP_clblas 1000 1000 3 0
Using CLBLAS: 10 iterations for 1000x1000 matrix on (3,0)
Device (3,0): Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2637 v4 @ 3.50GHz

Duration of memory allocation : 0.2919330000 s
Duration of memory free : 0.0030360000 s
Duration of each cycle : 0.1896384000 s
Number of GFlops : 21.082 
Error 0.0000000000
</code>

Nous pouvons également constater que certains périphériques ne "passent" pas en OpenCL et que les performances sont très variables.  

Voici un synoptique des performances pour les différentes implémentations et les différents GPU en simple précision. Les performances ont été placées en log. Les GPU présentent des performances incroyablement supérieures au processeur (autour d'un facteur 20 pour la GTX 1080 Ti face à la meilleure des implémentations pour CPU).

{{ :formation:xgemm_sp.png?400 |}}

Lors du passage en double précision, les GPU se rapprochent des CPU en performance. 

{{ :formation:xgemm_dp.png?400 |}}

Le ratio entre performances en simple sur double précision illustre la grosse différence entre CPU et GPU.

{{ :formation:xgemm_ratio_spdp.png?400 |}}

<note warning>
**Exercice #10 : lancez les ''xGEMM_<precision>_<implementation>'' avec une taille de 1000**

  * Variez le nombre d'itérations pour obtenir une durée d'exécution d'une dizaine de secondes ?
  * Laquelle des implémentations CPU est la plus performante ?
  * Laquelle des implémentations GPU est la plus performante ?
  * Exécutez à nouveau la performance en passant la précision (de SP à DP) sur CPU
  * Evaluez le rapport de performances entre SP et DP sur CPU
  * Exécutez à nouveau la performance en passant la précision (de SP à DP) sur GPU
  * Evaluez le rapport de performances entre SP et DP sur GPU
  * Présentez les performances entre implémentations en simple précision
  * Présentez les performances entre implémentations en double précision 
</note>

Il est aussi intéressant de constater que la performance dépend non seulement de l'implémentation, du périphérique mais aussi de sa sollicitation. Voici la performance pour l'implémentation CPU avec OpenBLAS et les implémentations cuBLAS et //Thunking// sur la GTX 1080 Ti.

{{ :formation:xgemm_sp_size.png?400 |}}


<note warning>
**Exercice #11 : lancez les programmes précédents pour différentes tailles**

  * Diminuez la taille aux valeurs suivantes ''125'', ''250'', ''500'' et exécutez les programmes
  * Que constatez-vous pour les performances sur CPU ou GPU ?
  * Augmentez la taille à ''2000'', ''4000'', ''8000'', ''16000'' et exécutez les programmes
  * Que constatez-vous pour les performances sur CPU ou GPU ?
  * Pendant une exécution, observez la consommation électrique instantanée : que constatez-vous ?
  * Présentez les performances en fonction des tailles explorées
</note>


===== Exploration des GPU avec un Pi Monte Carlo =====

==== Le "Pi Monte Carlo" ou "Pi Dart Dash",un code "compute bound" ====

Le calcul de Pi par la  [[https://fr.wikipedia.org/wiki/M%C3%A9thode_de_Monte-Carlo|méthode de Monte Carlo]] est exemplaire à plusieurs titres :
  * elle est simple : un générateur de nombres aléatoires, un mécanisme de test et un compteur suffisent
  * elle est parallélisable : en distribuant le nombre d'itérations sur les unités de calcul
  * elle est //compute bound// : en n'ayant quasiment aucun accès mémoire (reste dans les registres de calcul)
  * elle est cependant notoirement inefficace pour calculer Pi ;-)

Les versions que vous allez utiliser exploitent de 2 à 4 paramètres en entrée :
  * le nombre total d’itérations
  * le régime de Parallélisme (PR) : le ''découpage'' du travail vers les unités de traitement 
  * le type de variables : INT32, INT64, FP32, FP64 
  * le type de //Random Number Generator// : MWC, CONG, SHR3, KISS 

Intuitivement, le **régime de parallélisme** à explorer est optimal lorsqu'il correspond au nombre d'unités de traitement (//Compute Units//). Nous verrons que c'est un peu plus compliqué que cela.

Le type de variable va permettre de juger de l'efficacité des //Compute Units// en fonction des données qu'elles manipulent, notamment lorsque nous passons de 32 à 64 bits.

Le type de //RNG// a aussi son importance. Les //RNG// utilisés ici sont ceux de [[https://en.wikipedia.org/wiki/George_Marsaglia|Georges Marsaglia]]. Comme tous les //RNG// pseudo-aléatoires, ils nécessitent une "graine", laquelle permet une reproductibilité des tirages. Voici leur code source, d'une effroyable efficacité compte-tenu de leur compacité. <code>
#define znew  ((z=36969*(z&65535)+(z>>16))<<16)
#define wnew  ((w=18000*(w&65535)+(w>>16))&65535)
#define MWC   (znew+wnew)
#define SHR3  (jsr=(jsr=(jsr=jsr^(jsr<<17))^(jsr>>13))^(jsr<<5))
#define CONG  (jcong=69069*jcong+1234567)
#define KISS  ((MWC^CONG)+SHR3)
</code>

Comme nous divisons un nombre d'itérations entier par un régime de parallélisme, nous approximons dans le code le nombre d'itérations de chaque calcul élémentaire à l'entier supérieur. Lorsque le nombre d'itérations dépasse le milliard, le nombre d'itérations supplémentaires ne dépasse pas 7%.

Comme résultat, nous avons deux observables simples :
  * une estimation de Pi : juste indicative, Pi n'étant pas rationnel
    * par l'addition de tous les résultats sur le nombre total d'itérations que multiplie 4
  * le temps écoulé

Pour évaluer une performance, il est toujours intéressant de choisir une métrique maximaliste : nous définissons le **itops** soit le //ITerative Operations Per Second// comme le rapport entre ce nombre total d'itérations et le temps écoulé.

==== Les programmes utilisés : OpenCL, CUDA ====

Le dossier ''bench4gpu'' contient de nombreuses implémentations de ce calcul élémentaire. Nous nous focaliserons sur 2 d'entre eux :
  * ''bench4gpu/Pi/OpenCL/PiOpenCL.c''
  * ''bench4gpu/Pi/XPU/PiXPU.py''

==== Implémentation C/OpenCL ====

Le programme ''bench4gpu/Pi/OpenCL/PiOpenCL.c'' est une implémentation en C "pur" : il permet de juger de la difficulté d'appropriation de OpenCL. En effet, une grande partie du code est destinée à définir quelle plateforme et quel périphérique utiliser, placer les données à traîter.

<note warning>
**Exercice #12 : exploration du code OpenCL**

  * Repérez dans le programme source le **noyau** OpenCL réalisant le calcul
  * Repérez dans le programme source les parties **découverte** des périphériques
  * Repérez quel //RNG// est utilisé dans ce programme
</note>

Le code se compile très simplement uniquement en appliquant la commande ''gcc -o PiOpenCL PiOpenCL.c -lOpenCL -lm''. L'exécutable ''PiOpenCL'' est prêt à être utilisé.

Son exécution sans paramètre ne fait qu'une "découverte" des périphériques OpenCL disponibles et présente la documentation. Par exemple :<code>

Performs a Pi estimation by Dart Dash:

	#1 OpenCL Plateform ID (default 0)
	#2 OpenCL Device ID (default 0)
	#3 Minimal number of iterations (default 1000000)
	#4 Parallel Rate (default 1024)
	#5 Loops (default 1)
	#6 Type of variable: INT32, INT64, FP32, FP64 (default FP32)

OpenCL statistics: 4 platform(s) detected

Device (0,0): Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2637 v4 @ 3.50GHz
	Device Type: CL_DEVICE_TYPE_CPU 
	Device vendor: GenuineIntel
	Hardware version: OpenCL 1.2 AMD-APP (1912.5)
	Software version: 1912.5 (sse2,avx)
	OpenCL C version: OpenCL C 1.2 
	Parallel compute units: 16
	Maximum Work Group Size: -697485824
	Maximum Work Item Sizes: 0

Device (1,0): pthread-Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2637 v4 @ 3.50GHz
	Device Type: CL_DEVICE_TYPE_CPU CL_DEVICE_TYPE_DEFAULT 
	Device vendor: GenuineIntel
	Hardware version: OpenCL 2.0 pocl
	Software version: 0.13
	OpenCL C version: OpenCL C 2.0
	Parallel compute units: 16
	Maximum Work Group Size: -697485824
	Maximum Work Item Sizes: 0

Device (2,0): GeForce GTX 1080 Ti
	Device Type: CL_DEVICE_TYPE_GPU 
	Device vendor: NVIDIA Corporation
	Hardware version: OpenCL 1.2 CUDA
	Software version: 384.130
	OpenCL C version: OpenCL C 1.2 
	Parallel compute units: 28
	Maximum Work Group Size: -697485824
	Maximum Work Item Sizes: 0
Device (2,1): Quadro K420
	Device Type: CL_DEVICE_TYPE_GPU 
	Device vendor: NVIDIA Corporation
	Hardware version: OpenCL 1.2 CUDA
	Software version: 384.130
	OpenCL C version: OpenCL C 1.2 
	Parallel compute units: 1
	Maximum Work Group Size: -697485824
	Maximum Work Item Sizes: 0

Device (3,0): Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2637 v4 @ 3.50GHz
	Device Type: CL_DEVICE_TYPE_CPU 
	Device vendor: Intel(R) Corporation
	Hardware version: OpenCL 2.0 (Build 25)
	Software version: 1.2.0.25
	OpenCL C version: OpenCL C 2.0 
	Parallel compute units: 16
	Maximum Work Group Size: -697485824
	Maximum Work Item Sizes: 0
</code>

Nous découvrons que 4 plates-formes sont détectées, servant 5 périphériques. 
  * les 3 implémentations CPU de OpenCL : celles d'AMD, de PortableCL et d'Intel
  * les 2 GPU Nvidia **GTX 1080 Ti** et **Quadro K420** 

Cette sortie montre également les options (au moins 2) à entrer pour exploiter le programme :
  * #1 l'identifiant de la plateforme
  * #2 l'identifiant du périphérique pour cette plateforme
  * #3 le nombre minimum d'itérations (par défaut 1000000)
  * #4 le régime de parallélisme PR (par défault 1024)
  * #5 le nombre de boucles (par défault 1) : bien utile pour évaluer la reproductibilité temporelle
  * #6 le type de variable: INT32, INT64, FP32, FP64 (par défault FP32)

Il est donc nécessaire de préciser uniquement le tuple ''(plateforme,périphérique)'' pour exécuter le programme.

<note warning>
**Exercice #13 : compilation et première exécution**

  * Compilez le programme avec la ligne de compilation précisée ci-dessus
  * Exécutez le programme "à vide" et identifiez les périphériques
  * Exécutez le programme sur le premier GPU Nvidia que vous avez repéré
</note>

Avec ce premier outil, il est possible de juger de la différence fondamentale de performances entre GPU et CPU, en fonction du régime de parallélisme.

Par exemple, sur les périphériques ci-dessus :

^  Périphérique  ^  Durée  ^  Itops  ^  Inside  ^
^  AMD          |  3.98|  251524870|  785423827|
^  PortableCL   |  4.77|  209512671|  785423827|
^  GTX 1080 Ti  |  26.11|  38299749|  785423825|
^  Quadro K420  |  108.52|  9214573|  785423825|
^  Intel        |  3.90|  256424327|  785423825|

{{:formation:opencluster2_qpu1.png?direct&400|}}

Il est assez intéressant que les implémentations CPU offrent quasiment la même performance. Par contre les GPU offrent une performance bien moindre (6x moins pour la GTX 1080 Ti et presque 30x moins pour la Quadro K420).

Il est aussi intéressant qu'étrange que le nombre de "coups" à l'intérieur du quadrant d'exploration ne soit pas le même pour toutes les implémentations. C'est un artéfact lié à la multiplication du //RNG// par la constante pour le placer entre 0 et 1. 

<note warning>
**Exercice #14 : exécution sur tous les périphériques pour un PR=1**

  * Exécutez le programme sur tous (GPU & CPU) avec un nombre d'itérations de 1 milliard
  * Repérez les éléments de **durée**, **itops** et le **inside**
  * Tracez l'histogramme correspondant aux performances sur le modèle ci-dessus
  * Quel ratio existe entre le ou les GPU et les processeurs ?
</note>

Nous pouvons maintenant explorer la réponse des périphériques, notamment pour des régimes de parallélisme bien plus élevés, par exemple la valeur par défaut de ''1024''. Nous portons par contre le nombre d'itérations à 10000000000, soit 10x plus que précédemment.

^  Périphérique  ^  Durée  ^  Itops  ^  Inside  ^
^  AMD          |  4.28|  2338471813|  7853958701|
^  PortableCL   |  24.23|  412737304|  7853958701|
^  GTX 1080 Ti  |  0.37|  26864605077|  7853958630|
^  Quadro K420  |  3.04|  3287218047|  7853958630|
^  Intel        |  1.25|  7973063801|  7853958630|

{{:formation:opencluster2_qpu1024.png?direct&400|}}

Cette seconde expérience montre de manière assez spectaculaire que les GPU ne dévoilent leur puissance "que" pour des régimes de parallélisme élevé. Notons aussi que les implémentations sur CPU ont des performances très très disparates.

<note warning>
**Exercice #15 : exécution sur tous les périphériques pour un PR=1024**

  * Exécutez le programme sur tous (GPU & CPU) avec un nombre d'itérations de 10 milliards
  * Repérez les éléments de **durée**, **itops** et **inside**
  * Tracez l'histogramme correspondant aux performances sur le modèle ci-dessus
  * Quel ratio existe entre le ou les GPU et les processeurs ?
</note>

Dans l'expérience précédente, nous avons exploité un régime de parallélisme sur les processeurs très supérieur au nombre de //Compute Units//, lesquelles sont identifiées comme les coeurs. Il y avait 8 coeurs physiques et nous avons "chargé" chaque coeur à 256 fois leur charge. Que se passe-t-il si nous effectuons la même chose avec les GPU ?

Dans notre exemple, la GTX 1080 Ti dispose de 3584 //cuda cores//. La Quadro K420 de 192 //cuda cores//. Explorons ces périphériques avec des  **PR** de 256x ces valeurs (nous sommes obligés de porter les itérations à 1000 milliards) :

^  Périphérique  ^  Durée  ^  Itops  ^  Inside  ^
^  GTX 1080 Ti  |  3.77|  265583420021|  785397498152|
^  Quadro K420  |  290.03|  3447937882|  785398065372|

{{:formation:opencluster2_epu.png?direct&400|}}

Ce graphique montre sans ambiguité la puissance "brute" qu'offre un GPU de gamer en comparaison de CPU traditionnel (33x dans la meilleure implémentation CPU, celle d'Intel). Notons également que GPU n'est pas synonyme de puissance brute : la "petite" Quadro K420, bien que "professionnelle" présente des performances 77x inférieures.

<note warning>
**Exercice #16 : exécution sur tous les périphériques pour un PR optimal**

  * Reprenez les spécifications des GPU et isolez le nombre de //cuda cores//
  * Exécutez le programme sur les GPU avec un nombre d'itérations de 100 milliards et un PR de 256x le nombre de //cuda cores//
  * Repérez les éléments de **durée**, **itops** et **inside**
  * Tracez l'histogramme correspondant aux performances sur le modèle ci-dessus
  * Quel ratio de performance existe entre le GPU le plus puissant et la meilleure implémentation des CPU ?
</note>

Nous avons déjà noté, dans l'exploitation de ''xGEMM'' que les performances pour les GPU étaient largement influencées par la précision utilisée pour les calculs.

Pour les mêmes périphériques mais en passant en double précision, nous avons :

^  Périphérique	^  Elapsed  ^  Itops  ^  Inside  ^
^  AMD  |  4.05|  2472082769|  7853958184|
^  PortableCL  |  18.89|  529471467|  7853958184|
^  GTX 1080 Ti  |  3.34|  29909278511|  78540290903|
^  QuadroK420  |  12.52|  798857983|  7854068741|
^  Intel  |  16.24|  6156907937|  78539995659|

{{:formation:piopencl_dp.png?400|}}

Nous avons présenté dans le cours qu'un mauvais choix de régime de parallélisme pouvait largement influencer la performance.

Par exemple, regardons pour la meilleure implémentation de CPU et pour le GPU le plus puissant, quelle influence a le choix du régime de parallélisme autour du régime de parallélisme optimal.

<note warning>
**Exercice #17 : exécution sur tous les périphériques pour un PR optimal en double précision**

  * Reprenez les expériences ci-dessus en précisant un calcul en double précision
  * Tracez l'histogramme avec tous les périphériques OpenCL
  * Quel ratio de performance existe entre le GPU le plus puissant et la meilleure implémentation des CPU ?
</note>

==== Implémentation Python/OpenCL Python/CUDA ====

Dans l'exemple précédent, nous avons exploité un programme en C "pur". Nous avons vu comment s'intégrait la portion de code (le noyau ou le //kernel//) qui était exécutée, soit par les GPU, soit par différentes implémentations pour CPU de OpenCL. Nous avons aussi pu "juger" du côté assez "compliqué" de découvertes des périphériques et des mécanismes d'entrée/sortie.

Avec le programme ''PiXPU.py'', situé dans le dossier ''bench4gpu/Pi/XPU'' nous allons pouvoir exploiter les périphériques de calcul plus simplement, et bénéficier de toutes les facilités d'un langage évolué.

Regardons d'abord sa sortie lorsqu'il est sollicité avec l'option ''-h'' :<code>
$ cd $HOME/bench4gpu/Pi/XPU
$ python3 PiXPU.py -h
PiXPU.py -o (Out of Core Metrology) -c (Print Curves) -k (Case On IfThen) -d <DeviceId> -g <CUDA/OpenCL> -i <Iterations> -b <BlocksBegin> -e <BlocksEnd> -s <BlocksStep> -f <ThreadsFirst> -l <ThreadsLast> -t <ThreadssTep> -r <RedoToImproveStats> -m <SHR3/CONG/MWC/KISS> -v <INT32/INT64/FP32/FP64>

Informations about devices detected under OpenCL API:
Device #0 from Advanced Micro Devices, Inc. of type xPU : Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2637 v4 @ 3.50GHz
Device #1 from The pocl project of type xPU : pthread-Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2637 v4 @ 3.50GHz
Device #2 from NVIDIA Corporation of type xPU : GeForce GTX 1080 Ti
Device #3 from NVIDIA Corporation of type xPU : Quadro K420
Device #4 from Intel(R) Corporation of type xPU : Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2637 v4 @ 3.50GHz

Informations about devices detected under CUDA API:
Device #0 of type GPU : GeForce GTX 1080 Ti
Device #1 of type GPU : Quadro K420
</code>

Nous disposons de plus d'options pour le lancement. Ce programme étant un programme de test de performances, il permet une exploration de régimes de parallélisme. Dans les approches de programmation CUDA ou OpenCL, il y a deux étages de parallélisme : 
  * le premier pour des tâches indépendantes : //Blocks// et //Work items// en sont les éléments
  * le second pour des tâches nécessitant une synchronisation : ce sont les //Threads//

Il y a donc, pour explorer ces deux régimes de parallélisme, 6 options différentes :
  * ''-b <BlocksBegin>''  : le premier nombre de //Work items// ou de //Blocks// à explorer
  * ''-e <BlocksEnd>''    : le dernier nombre de //Work items// ou de //Blocks// à explorer
  * ''-s <BlocksStep>''   : le pas entre deux //Work items// ou de //Blocks//
  * ''-f <ThreadsFirst>'' : le premier nombre de //Threads// à explorer
  * ''-l <ThreadsLast>''  : le dernier nombre de //Threads// à explorer
  * ''-t <ThreadssTep>''  : le pas entre deux //Threads// à explorer
Il est aussi possible de coupler les deux régimes de parallélisme en appelant 16 //work items// avec 16 //threads//.

Par exemple, pour explorer des régimes de parallélisme de 16 à 128 avec des pas de 16 en //Work items// et 4 à 8 en //Threads// avec des pas unitaires, nous aurons ''-b 16 -e 128 -s 16 -f 4 -l 8 -t 1 -p 2''.

D'autres options :
  * ''-g <CUDA/OpenCL>'' : pour sélectionner l'utilisation de CUDA ou OpenCL
  * ''-i <Iterations> '' : pour le nombre total d'itérations
  * ''-r <RedoToImproveStats>'' : pour refaire plusieurs expériences en série
  * ''-m <SHR3/CONG/MWC/KISS>'' : pour sélectionner le type de //Random Number Generator// de Marsaglia
  * ''-v <INT32/INT64/FP32/FP64>'' : pour sélectionner le type de variable à exploiter
  * ''-k (Case On IfThen)'' : pour forcer l'exploitation du test avec un mécanisme en ''IfThen''
  * ''-d <DeviceId>'' : pour sélectionner le périphérique en utilisant l'ID fourni avec le ''-h''

L'appel du programme ci-dessus nous montre qu'il y a le même nombre de périphériques OpenCL visibles (les 3 implémentations OpenCL pour CPU et les 2 GPU Nvidia), la nouveauté est que nous voyons également deux périphériques CUDA.

En sortie, lors d'un appel simple ne précisant que le périphérique, ici le premier, ''#0'', nous avons : <code>
$ python3 PiXPU.py -d 0 
Devices Identification : [0]
GpuStyle used : OpenCL
Iterations : 10000000
Number of Blocks on begin : 1
Number of Blocks on end : 1
Step on Blocks : 1
Number of Threads on begin : 1
Number of Threads on end : 1
Step on Threads : 1
Number of redo : 1
Metrology done out of XPU : False
Type of Marsaglia RNG used : MWC
Type of variable : FP32
Device #0 from Advanced Micro Devices, Inc. of type xPU : Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2637 v4 @ 3.50GHz
Device #1 from The pocl project of type xPU : pthread-Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2637 v4 @ 3.50GHz
Device #2 from NVIDIA Corporation of type xPU : GeForce GTX 1080 Ti
Device #3 from NVIDIA Corporation of type xPU : Quadro K420
Device #4 from Intel(R) Corporation of type xPU : Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2637 v4 @ 3.50GHz
([0], {0: 'xPU'})
('Inside ', {'Blocks': 1, 'ValueType': 'FP32', 'RNG': 'MWC', 'Threads': 1, 'Iterations': 10000000, 'Device': 0, 'Steps': 1, 'IfThen': False})
('CPU/GPU selected: ', 'Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2637 v4 @ 3.50GHz')
(Blocks/Threads)=(1,1) method done in 0.06 s...
{'Duration': array([0.06270599]), 'Inside': 7852019.0, 'NewIterations': 10000000}
Pi estimation 3.14080760
0.06 0.06 0.00 0.06 0.06 159474388 159474388 0 159474388 159474388
</code>

Deux fichiers de sortie sont créés et reprennent dans leur titre les paramètres d'entrée :
  * ''Pi_FP32_MWC_xPU_OpenCL_1_1_1_1_10000000_Device0_InMetro_opencluster2''
  * ''Pi_FP32_MWC_xPU_OpenCL_1_1_1_1_10000000_Device0_InMetro_opencluster2.npz''

Le premier est uniquement lisible avec Python, le second est utilisable directement, pas exemple avec GNUplot.

=== Examen du code source ===

<note warning>
Exercice #18 : récupération des éléments dans le code source
  * Editez le code source avec l'outil ''gedit''
  * Identifiez l'appel de la procédure principale OpenCL : ligne
  * Identifiez la zone de code de cette procédure OpenCL : lignes
  * Examinez dans cette procédure la **construction** du noyau OpenCL : ligne
  * Examinez dans cette procédure l'**appel** du noyau OpenCL : ligne
  * Identifiez le noyau OpenCL appelé par cette procédure : lignes
  * Identifiez l'appel de la procédure principale CUDA : ligne
  * Identifiez la zone de code de cette procédure CUDA : lignes
  * Identifiez le noyau CUDA appelé par cette procédure : lignes
  * Examinez dans cette procédure la **construction** du noyau CUDA : ligne
  * Examinez dans cette procédure l'**appel** du noyau CUDA : ligne
  * Quelles similarités distinguez-vous entre les noyaux OpenCL et CUDA ?
</note>

=== Exploitation du programme ===

Ainsi, si nous voulons étudier la scalabilité du CPU en //Work items// de 1 à 16x le nombre de coeurs (ici 8 physiques) en exploitant l'implémentation AMD de OpenCL, nous appelons la commande : <code>python3 PiXPU.py -d 0 -b 1 -e $((8*16)) -r 10 -i 1000000000 </code>

Dans notre cas, nous avons les deux fichiers suivants à exploiter : 
  * ''Pi_FP32_MWC_xPU_OpenCL_1_128_1_1_1000000000_Device0_InMetro_opencluster2.npz''
  * ''Pi_FP32_MWC_xPU_OpenCL_1_128_1_1_1000000000_Device0_InMetro_opencluster2''

Nous pouvons ensuite exploiter l'outil simple ''gnuplot'' pour afficher nos résultats :
<code>
gnuplot
set xlabel 'Parallel Rate'
set ylabel 'Itops'
set yrange [0:*]
plot 'Pi_FP32_MWC_xPU_OpenCL_1_128_1_1_1000000000_Device0_InMetro_opencluster2' using 1:9 title 'OpenCL AMD'
</code>

Il existe un bouton d'export du graphique en image au format PNG ou SVG. Nous obtenons le suivant :
{{ :formation:amd_opencluster2_insa.png?400 |}}

Nous observons que la scalabilité pour un code aussi simple n'est pas si triviale que cela à analyser. Il n'y a pas continuité en fonction de PR croissant. Notons une pseudo-période correspondant au nombre de coeurs physiques, avec des maximums locaux pour les multiples de cette valeur (le //handsaw curve effect//).

<note warning>
Exercice #19 : étude de la scalabilité d'une implémentation CPU
  * Identifiez avec ''python3 PiXPU.py -h'' un périphérique CPU
  * Exécutez le d'un PR=1 à un PR égal à 8x le nombre de coeurs physiques
  * Tracez les résultats avec GNUplot
</note>

Nous pouvons également "explorer" la scalabilité des GPU forts de notre expérience de ''PiOpenCL''. Par exemple, du nombre de //cuda cores// à ce nombre multiplié par 16, par pas de 128. La commande appelée est la suivante :<code>
python3 PiXPU.py -d 2 -b 3584 -e $((3584*8)) -s 128 -r 3 -i 100000000000
</code>

Nous obtenons pour notre GTX 1080 Ti les résultats suivants :
{{ :formation:gtx1080ti_opencluster2_insa.png?400 |}}

Nous pouvons constater que la scalabilité est très peu continue, encore moins que pour la scalabilité étudiée des CPU. Nous constatons également que des pseudo-lignes se chevauchent. Le PR optimal était autour de 4x le nombre de //cuda cores// et offrait une performance de **268 Gitops**.

<note warning>
Exercice #20 : étude de la scalabilité d'un GPU
  * Identifiez avec ''python3 PiXPU.py -h'' un périphérique GPU
  * Exécutez-le d'un PR=<NbCudaCores> à un PR égal à 8x<NbCudaCores> par pas de 128 en OpenCL
  * Tracez les résultats avec GNUplot
  * Identifiez pour quel PR la performance est maximale
</note>

Comme nous avons également la même implémentation en CUDA, lançons l'exploration avec CUDA pour le PR optimal, ici identifié à 4x le nombre de //cuda cores// :<code>python3 PiXPU.py -g CUDA -d 0 -b $((3584*4)) -e $((3584*4)) -r 3 -i 10000000000</code>

Comme résultat de cette implémentation CUDA, nous n'obtenons pas **268 Gitops**, mais seulement **6 Gitops** !

La seule manière de retrouver une performance comparable en CUDA est de solliciter le second étage de parallélisme des GPU, les //Threads//. Avec la commande suivante, avec 1024 Threads, nous plafonnons à **198 Gitops** :<code>python3 PiXPU.py -g CUDA -d 0 -b $((3584*4)) -e $((3584*4)) -f 1024 -l 1024 -r 3 -i 1000000000000</code>

En relançant le calcul précédent, nous parvenons à **271 Gitops** soit plus que l'implémentation OpenCL.

<note warning>Exercice #21 : étude de l'implémentation CUDA autour du PR optimal
  * Identifiez avec ''python3 PiXPU.py -h'' le périphérique GPU déjà utilisé en CUDA
  * Exécutez le avec le PR optimal des //Blocks// en CUDA
  * Quel ratio de performance avez-vous entre CUDA et OpenCL ?
  * Exécutez le avec le PR optimal des //Blocks// et 1024 //Threads//
  * Quel ratio de performance avez-vous entre CUDA et OpenCL ?
</note>

Il existe aussi des artéfacts sur des régimes de parallélisme spéciaux en OpenCL sur les GPU Nvidia : en explorant autour du PR optimal, quelles sont les PR qu'il ne faut surtout pas exploiter et quel est leur point commun ?

En lançant cette exploration suivante, nous obtenons :<code>
python3 PiXPU.py -d 2 -b $((3584*4-16)) -e $((3584*4+16)) -r 3 -i 100000000000
</code>

{{ :formation:gtx1080ti_aroundepu_opencluster2_insa.png?400 |}}

Alors que l'optimum de performance est atteint autour d'un PR de 14336 avec **258 Gitops**, nous n'obtenons un Itops que de **8.5 Gitops** (soit 30x moins) sur 5 valeurs particulières : 14321, 14323, 14327, 14341, 14347. Le point commun entre ces valeurs de PR est à rechercher sur le site [[http://www.math.com/students/calculators/source/prime-number.htm|de mathématiques]]

<note warning>
Exercice #22 : étude de valeurs particulières de PR
  * Exécutez ''PiXPU.py'' autour du PR égal à 4x le nombre de //cuda cores// (16 avant et 16 après)
  * Tracez les résultats avec GNUplot
  * Quels sont les PR avec les performances les plus faibles ?
</note>

===== Exploration par un corps N-Corps à "grain fin" =====

Le code de test **Pi Monte Carlo** avait pour avantage de ne solliciter que très peu la mémoire. La seule mémoire sollicitée sur les périphériques se résumait au nombre de tirages dans le quadrant de cercle. De plus, l'opération de parallélisation divisait un nombre total d'itérations en un nombre équivalent pour chaque //work item//, chaque //block// ou chaque //thread//. Chaque calcul était indépendant des autres : nous avions non seulement un **code ALU** (ne sollicitant que les unités de traitement) mais aussi un **code gros grain** (indépendance des calculs).

Dans le code ''NBody.py'', situé dans ''bench4gpu/NBody'', le principe est de déterminer dans un modèle newtonien la position et la vitesse de chaque particule en intéraction avec toutes les autres. A chaque itération, chaque position et chaque vitesse de chaque particule vont être modifiées par la proximité de toutes les autres : nous disposons d'un **code grain fin**. De plus, la détermination de la vitesse et la position de chaque particule à chaque instant nécessite un accès à la position de chacune des autres : un accès permanent à la mémoire est donc indispensable.

Le programme ''NBody.py'' n'est disponible qu'en OpenCL. Son invocation avec l'option ''-h'' offre la sortie suivante :
<code>$ cd $HOME/bench4gpu/NBody
$ python3 NBody.py -h
NBody.py -h [Help] -r [InitialRandom] -g [OpenGL] -e [VirielStress] -o [Verbose] -p [Potential] -x <None|NegExp|CorRad> -d <DeviceId> -n <NumberOfParticules> -i <Iterations> -z <SizeOfBoxOrBall> -v <Velocity> -s <Step> -b <Ball|Box> -m <ImplicitEuler|RungeKutta|ExplicitEuler|Heun> -t <FP32|FP64>

Informations about devices detected under OpenCL:
Device #0 from Advanced Micro Devices, Inc. of type xPU : Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2637 v4 @ 3.50GHz
Device #1 from The pocl project of type xPU : pthread-Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2637 v4 @ 3.50GHz
Device #2 from NVIDIA Corporation of type xPU : GeForce GTX 1080 Ti
Device #3 from NVIDIA Corporation of type xPU : Quadro K420
Device #4 from Intel(R) Corporation of type xPU : Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2637 v4 @ 3.50GHz
</code>

Un certain nombre des paramètres sont à définir avec une valeur :
  * ''-d <DeviceId>'' : sélection du périphérique (défaut **0**)
  * ''-n <NumberOfParticules>'' : nombre de particules du système (défaut **2**)
  * ''-s <Step>'' : pas d'intégration (défaut **1/32**)
  * ''-m <ImplicitEuler|RungeKutta|ExplicitEuler|Heun>'' : type d'intégration différentielle (défaut **ImplicitEuler**) 
  * ''-t <FP32|FP64>'' : précision de calcul (défaut **FP32**)
  * ''-i <Iterations>'' : nombre d'itérations (défaut **10**)
  * ''-x <None|NegExp|CorRad>'' : introduction d'un "rayon de coeur" pour éviter les divergences (défaut **None**)
  * ''-z <SizeOfBoxOrBall>'' : taille de la boîte ou de la boule (défaut **sqrt(2)**)
  * ''-v <Velocity>'' : vitesse initiale des particules (défaut définie par le Viriel)
  * ''-b <Ball|Box>'' : type de distribution aléatoire (défaut **Ball**)

D'autres sont des booléens :
  * ''-h [Help]'' : la sortie précédente
  * ''-r [InitialRandom]'' : défaut
  * ''-g [OpenGL]'' : pour une sortie graphique
  * ''-e [VirielStress]'' : par défaut
  * ''-o [Verbose]'' : impression position et vitesse des particules
  * ''-p [Potential]'' : exploitation du potentiel à la place de la force

Par défaut, une invocation sans option offre la sortie suivante :<code>
 python3 NBody.py 
Device choosed : 0
Number of particules : 2
Size of Shape : 1.4142135
Initial velocity : 1.0
Step of iteration : 0.03125
Number of iterations : 10
Method of resolution : ImplicitEuler
Initial Random for RNG Seed : False
ValueType is : FP32
Viriel distribution of stress : True
OpenGL real time rendering : False
Speed rendering : False
Interaction type : Force
Counter Artevasion type : None
('CPU/GPU selected: ', 'Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2637 v4 @ 3.50GHz')
('Platform selected: ', 'AMD Accelerated Parallel Processing')
/usr/lib/python2.7/dist-packages/pyopencl/cffi_cl.py:1470: CompilerWarning: Non-empty compiler output encountered. Set the environment variable PYOPENCL_COMPILER_OUTPUT=1 to see more.
  "to see more.", CompilerWarning)
All particles superimposed.
All particules distributed
Center Of Mass estimated: (-0.05390843,0.25029457,-0.0005747825)
All particules stressed
Energy estimated: Viriel=-5.960464477539063e-08 Potential=-0.94194394 Kinetic=0.47097194

Starting!
..........
Ending!

Center Of Mass estimated: (-0.05390393,0.25027496,-0.00055484474)
Energy estimated: Viriel=-2.7835369110107422e-05 Potential=-0.94973665 Kinetic=0.4748544

Duration stats on device 0 with 10 iterations :
	Mean:	0.0017527103424072265
	Median:	0.00153350830078125
	Stddev:	0.0007242915279449818
	Min:	0.0013959407806396484
	Max:	0.0039031505584716797

	Variability:	0.4723101450288789

FPS stats on device 0 with 10 iterations :
	Mean:	623.2326583734787
	Median:	653.6473926380554
	Stddev:	130.28936462458745
	Min:	256.2032862989432
	Max:	716.3627668659266

Squertz in log10 & complete stats on device 0 with 10 iterations :
	Mean:	3.396710194304037	2492.9306334939147
	Median:	3.417403524471372	2614.5895705522216
	Stddev:	2.716968957513558	521.1574584983498
	Min:	3.01064468743274	1024.813145195773
	Max:	3.4571929965271666	2865.4510674637063
</code>

Les éléments de sortie sont les statistiques de chaque itération, exprimées en **squertz**, contraction de **square** (pour "carré") avec **Hertz**. En effet, le nombre de calculs élémentaires évolue suivant une loi en **N(N-1)** (chaque particule parmi **N** intéragit avec les **N-1** autres particules).

=== Analyse du programme ===

Lors de l'initialisation du "système N-Corps", plusieurs opérations sont effectuées : 
  * l'initialisation de la position des particules
  * la distribution aléatoire des particules dans le volume (boule ou cube)
  * la détermination du centre de gravité
  * la distribution semi-aléatoire des vitesses en fonction du Viriel
  * l'évolution du système

<note warning>
Exercice #23 : étude du source de ''NBody.py''
  * Editez le programme avec gedit
  * Identifiez le bloc de noyaux OpenCL : lignes
  * Identifiez les appels des noyaux OpenCL : lignes
  * Identifiez les récupérations de positions et vitesses des particules
  * Identifiez la portion de code OpenGL
</note>

Pour un lancement sur 32768 particules et les différents périphériques (3 CPU et 2 GPU), pour des calculs en 32 et 64 bits en flottants, nous avons les résultats suivants :

^  Périphérique	^ Squertz SP ^ Squertz DP ^
^  AMD  |  2583647198|  1141839568|
^  PortableCL  |  1277518016|  782950973|
^  GTX 1080 Ti  |  104176444905|  2853097176|
^  QuadroK420  |  3242286836|  116285732|
^  Intel  |  4728894103|  1444506859|

{{:formation:nbody_opencluster2.png?400|}}

La figure ci-dessus illustre l'écrasante performance de la GTX 1080 Ti en comparaison de toutes les autres implémentations : plus d'un facteur 22 en simple précision et presque un facteur 2 en double précision pour la meilleure des implémentations CPU.

{{:formation:nbody_log_opencluster2.png?400|}}

Seule une représentation en log permet de ne pas trop écraser les performances des implémentations CPU.

<note warning>
Exercice #24 : lancement de ''NBody.py'' pour 32768 particules
  * Exécutez le programme pour tous les périphériques détectés
  * Ajoutez l'option pour un calcul en 64 bits et réexécutez
  * Tracez les histogrammes de performances
  * Quel est le ratio entre le meilleur GPU et le meilleur en CPU en 32 bits
  * Quel est le ratio entre le meilleur GPU et le meilleur en CPU en 64 bits
  * Quel est le ratio pour un même périphérique entre 32 et 64 bits ?
</note>

Vous pouvez également exécuter ''NBody.py'' avec l'option ''-g'' pour disposer d'une animation en temps réel du calcul.

{{ :formation:nbody_005.png?400 |}}

La fenêtre de rendu offre la vision suivante :

{{ :formation:nbodygl_004.png?400 |}}

La pression sur la touche ''<Esc>'' permet de sortir du programme pour afficher les statistiques de la simulation.

{{ :formation:nbody_006.png?400 |}}

Si nous changeons de manière insignifiante le nombre de particules (de 8192 à 8191), nous obtenons des performances très différentes :

{{ :formation:nbody_007.png?400 |}}

<note warning>Exercice #25 : lancement de ''NBody.py'' en mode ''-g''
  * Exécutez le programme pour le meilleur des CPU sur 8192 particules
  * Appuyez sur ''s'' pour passer des positions aux vitesses
  * Utilisez les flèches pour les opérations de rotations
  * Utilisez les <+> ou <-> pour les opérations de zoom ou dézoom
  * Sortez avec <Esc> et notez finalement la performance médiane en Squertz
  * Exécutez le programme sur le GPU le plus puissant avec 8192 particules
  * Sortez avec <Esc> et notez la performance médiane en Squertz
  * Exécutez le programme sur le GPU le plus puissant avec 8192 particules
  * Sortez avec <Esc> et notez la performance médiane en Squertz
  * Quel ratio entre Squertz existe entre 8192 et 8191 particules ?
  * Pourquoi un tel ratio ?
</note>

===== Exploration de "codes métiers" =====

==== Introduction à l'intégration de codes ====

Les "codes métiers" sont des programmes "de production scientifique". Il n'est pas question, pour un utilisateur, de modifier le source du programme pour ses activités, notamment de recherche. Le programme est exploité "tel quel" et seuls les paramètres d'entrées changent.

Par contre l'**intégration** d'un code dans un **environnement informatique** (//tuple// matériel, système d'exploitation, librairies, logiciel, usage) peut s'avérer compliqué, voire complexe. Cette activité d'intégration forme une grande partie de l'activité des personnels des infrastructures de calcul scientifique.



==== Exploitation en Deep Learning avec TensorFlow ====

Nous allons tenter d'exploiter un des exemples présentés dans les [[https://www.tensorflow.org/tutorials|tutoriels]] de [[https://www.tensorflow.org/|TensorFlow]].

L'exploitation des GPU a littéralement "explosé" lorsque le //Machine Learning// ou le //Deep Learning// sont devenus des modes. En effet, la puissance "brute" des GPU peut enfin être exploitée sans trop de portage, notamment par l'exploitation des librairies BLAS.

L'exemple sur lequel nous allons nous pencher est le [[https://www.tensorflow.org/tutorials/images/deep_cnn|DeepCNN]].

L'intégration de TensorFlow avec une exploitation des GPU est plutôt ardue à partir des sources, étant donné le nombre de dépendances. L'approche [[https://docs.conda.io/en/latest/|Conda]] permet d'installer un "environnement système" bâti essentiellement autour d'applications Python. Conda permet également à tout utilisateur de créer son propre environnement complet lui permettant un suivi personnel de ses outils.

Au CBP, un environnement Conda a été installé pour permettre l'exploitation de la majorité des outils construits autour de TensorFlow. Le chargement de l'environnement se réalise en "sourçant" l'environnement CONDA avec la commande suivante :
<code>source /etc/tensorflow.init </code>

La commande précédente "paramètre" les variables d'environnement nécessaires l'exploitation de l'environnement complet CONDA installé pour vous dans ''/opt/anaconda3/''

L'objectif de la session est de lancer un apprentissage sur une base de 60000 mini-images [[https://www.cs.toronto.edu/~kriz/cifar.html|CIFAR-10]]. Là se pose une contrainte dont il faut **impérativement** prendre conscience quand ces outils de *-Learning sont exploités : les bases d'apprentissage, leur stockage et leur exploitation. Ces bases ont souvent des tailles de plusieurs GigaBytes à plusieurs dizaines de GB et le nombre de fichiers atteint facilement plusieurs centaines de milliers de fichiers. Leur téléchargement et leur exploitation non maîtrisés peuvent entraîner de graves dysfonctionnements sur des dossiers partagés. Pour cette raison, nous allons exécuté cet apprentissage sur un espace "local", c'est à dire stocké localement sur la machine. Par défaut, le profil utilisateur et ses données de base reposent sur un espace distant pour être retrouvé lors d'un changement de machine. Mais dans ce cas particulier d'exploitation, si 50 personnes chargent et exploitent simultanément de gros volumes de dizaines de milliers de fichiers simultanément, des problèmes apparaissent. Voici la procédure pour l'éviter dans notre cas :

Création de l'espace utilisateur dans l'espace local
<code>
[ ! -d /local/$USER ] && mkdir /local/$USER
cd /local/$USER
</code>

Téléchargement de l'ensemble des tutoriels de TensorFlow au 29 mai :
<code>
wget http://www.cbp.ens-lyon.fr/emmanuel.quemener/software/tf-models-20190524-1429.tgz
tar xzf tf-models-20190524-1429.tgz
</code>

Déplacement dans le dossier ''cifar10''
<code>
cd models/tutorials/image/cifar10
</code>

Paramétrage et modification de quelques fichiers pour l'exécution
<code>
# Paramétrage de la métrologie 
export TIME=$(cat /etc/time_command.cfg)
# Définition du dossier de téléchargement par défaut des bases TensorFlow
export DATADIR=/local/$USER
sed -i "s|tfds\.load(name|tfds\.load(data_dir\=\'$DATADIR\'\,name|g" cifar10_input.py
# Modification du dossier de sauvegarde de l'apprentissage
sed -i 's/\/tmp\//$DATADIR/g' cifar10_train.py
# Réduction du nombre d'itérations de 100000 à 10000
sed -i 's/100000/10000/g' cifar10_train.py
</code>

L'exécution de l'apprentissage s'effectue avec
<code>
/usr/bin/time python3 cifar10_train.py
</code>

Voici la sortie sur une machine équipée de GPUs Nvidia RTX 2080 Ti et GTX 1660 Ti.

<code>
TIME Command being timed: "python3 cifar10_train.py"
TIME User time (seconds): 889.04
TIME System time (seconds): 597.06
TIME Elapsed (wall clock) time : 234.10
TIME Percent of CPU this job got: 634%
TIME Average shared text size (kbytes): 0
TIME Average unshared data size (kbytes): 0
TIME Average stack size (kbytes): 0
TIME Average total size (kbytes): 0
TIME Maximum resident set size (kbytes): 5098888
TIME Average resident set size (kbytes): 0
TIME Major (requiring I/O) page faults: 329
TIME Minor (reclaiming a frame) page faults: 1227196
TIME Voluntary context switches: 15535406
TIME Involuntary context switches: 8247917
TIME Swaps: 0
TIME File system inputs: 10117019
TIME File system outputs: 1282614
TIME Socket messages sent: 0
TIME Socket messages received: 0
TIME Signals delivered: 0
TIME Page size (bytes): 4096
TIME Exit status: 0
</code>

Le souci, c'est que le temps écoulé ici comprend (la première fois) le téléchargement et l'expansion des archives. Pour disposer d'une comparaison objective du temps de calcul pour 10000 itérations, il faut relancer l'apprentissage.

Une relance du même apprentissage offre la sortie suivante :

<code>
TIME Command being timed: "python3 cifar10_train.py"
TIME User time (seconds): 827.48
TIME System time (seconds): 592.54
TIME Elapsed (wall clock) time : 123.09
TIME Percent of CPU this job got: 1153%
TIME Average shared text size (kbytes): 0
TIME Average unshared data size (kbytes): 0
TIME Average stack size (kbytes): 0
TIME Average total size (kbytes): 0
TIME Maximum resident set size (kbytes): 4100296
TIME Average resident set size (kbytes): 0
TIME Major (requiring I/O) page faults: 0
TIME Minor (reclaiming a frame) page faults: 933283
TIME Voluntary context switches: 15603184
TIME Involuntary context switches: 8643170
TIME Swaps: 0
TIME File system inputs: 5857597
TIME File system outputs: 49573
TIME Socket messages sent: 0
TIME Socket messages received: 0
TIME Signals delivered: 0
TIME Page size (bytes): 4096
TIME Exit status: 0
</code>

Dans le cas d'une exécution uniquement sur CPU (ici 2 Xeon E5-2637 v4 @ 3.50GHz), nous avons comme sortie :

<code>
TIME Command being timed: "python3 cifar10_train.py"
TIME User time (seconds): 21180.80
TIME System time (seconds): 1391.54
TIME Elapsed (wall clock) time : 1711.02
TIME Percent of CPU this job got: 1319%
TIME Average shared text size (kbytes): 0
TIME Average unshared data size (kbytes): 0
TIME Average stack size (kbytes): 0
TIME Average total size (kbytes): 0
TIME Maximum resident set size (kbytes): 2804244
TIME Average resident set size (kbytes): 0
TIME Major (requiring I/O) page faults: 0
TIME Minor (reclaiming a frame) page faults: 283823921
TIME Voluntary context switches: 26722288
TIME Involuntary context switches: 6182435
TIME Swaps: 0
TIME File system inputs: 5857601
TIME File system outputs: 83979
TIME Socket messages sent: 0
TIME Socket messages received: 0
TIME Signals delivered: 0
TIME Page size (bytes): 4096
TIME Exit status: 0
</code>

<note warning>Exercice #26 : appliquez les commandes ci-dessus
  * Préparez votre environnement
    - créez le dossier personnel dans ''/local''
    - placez vous dans le dossier fraîchement créé
    - récupérer l'archive des tutoriels de TensorFlow
    - expandez l'archive dans votre dossier 
    - définissez la variable ''TIME'' pour sa métrologie
    - déplacez vous dans le dossier ''models/tutorials/image/cifar10''
    - modifiez comme précisé les dossiers de téléchargement et de sauvegarde 
    - modifiez le nombre d'itérations
  * Lancez une première fois l'apprentissage avec ''cifar10_train.py''
    * en cas de plantage lors de l'apprentissage
      * lisez attentivement les messages d'erreur
      * si le GPU pose problème, exploitez la variable d'environnement ''CUDA_VISIBLE_DEVICES''
    - notez les informations de sortie préfixées par ''TIME'' 
  * Lancez une seconde fois l'apprentissage
    - notez les informations de sortie préfixées par ''TIME''
  * Lancez une seconde fois l'apprentissage avec ''CUDA_VISIBLE_DEVICES=' ' ''
    - notez les informations de sortie
  * Comparez les résultats
    * Qu'apporte le GPU comme gain de performance par rapport au processeur ?
</note>

==== Intégration et exploitation du code Gromacs ====

Nous allons tenter de reproduire une [[https://www.nvidia.com/en-us/data-center/gpu-accelerated-applications/gromacs/|expérience de Nvidia]] vantant l'efficacité des GPGPU pour le logiciel de [[https://fr.wikipedia.org/wiki/Dynamique_mol%C3%A9culaire|dynamique moléculaire]] [[http://www.gromacs.org/|Gromacs]].

<note warning>Exercice #27 : appliquez la "recette" de Nvidia
  * La documentation offre ceci :
    - récupérez le source
    - étendez l'archive
    - créez un dossier pour la construction
    - passez dans ce dossier
    - préparez la compilation
    - compilez le code
    - installez les exécutables
  * A quelle étape est-ce que cela bloque ? Quel message avez-vous ?
  * Trouvez une méthode permettant de régler ce problème.
</note>

En cas de difficultés, appliquez la [[formation:insa2018gpu:insa2018gromacs4stretch|recette de Gromacs pour Debian Stretch]] ;-)

<note warning>Exercice #28 : Exécutez l'exemple ''1536'' 
  * Quel ''Elapsed Time'' avez-vous pour l'exécution sur GPU (et CPU) ?
  * Quel ''Elapsed Time'' avez-vous pour l'exécution uniquement sur CPU ?
  * Quel ratio de performances existe entre les deux exécutions ?
</note>

==== Intégration et exploitation du code GENESIS ====

Le code [[https://www.r-ccs.riken.jp/labs/cbrt/|GENESIS]] de l'institut [[https://www.r-ccs.riken.jp/en/|RIKEN Center for Computational Science]] est un logiciel de [[https://fr.wikipedia.org/wiki/Dynamique_mol%C3%A9culaire|dynamique moléculaire]]. 
Présenté comme exploitant massivement les GPU, il est disponible sur [[https://bitbucket.org/dpotter/pkdgrav3/|bitbucket]].
C'est un programme //hybride// (exploitant 2 stratégies de parallélisation), et même //trhybride// dans la mesure où il exploite les GPU de type Nvidia avec CUDA, la distribution sur les coeurs via [[https://fr.wikipedia.org/wiki/OpenMP|OpenMP]] et la distribution sur des noeuds différents via [[https://fr.wikipedia.org/wiki/Message_Passing_Interface|passage de messages MPI]].
Le code source est accessible à l'adresse : https://www.r-ccs.riken.jp/labs/cbrt/download/genesis-version-1-5/ 

<note warning>Exercice #29 : Récupérez et compilez le code suivant la documentation fournie
  * Lisez la [[https://www.r-ccs.riken.jp/labs/cbrt/installation/|documentation]] d'installation
  * Placez les sources dans le dossier ''/local/$USER/GENESIS'' créé pour l'occasion
  * Préparez une compilation pour GPU en simple précision dans le dossier ''/local/$USER/GENESIS/gpu-single''
  * Compilez et installez le programme
  * Purgez la compilation précédente
  * Préparez une compilation pour CPU en simple précision dans le dossier ''/local/$USER/GENESIS/cpu-single''
  * Compilez et installez le programme
</note>

L'exécution du programme est évaluée en comparant son exécution dans différentes configurations d'exploitation des CPU et des GPU. 
Pour cela, l'exemple de la base de [[https://www.r-ccs.riken.jp/labs/cbrt/?smd_process_download=1&download_id=14619|tests de régression]]. Le test  **test_rpath_spdyn/alad_water** a été modifié pour durer un peu plus longtemps à l'exécution. Il se trouve sur 

<note warning>Exercice #30 : Exécutez l'exemple ''LightCL''
  * Récupérez l'exemple d'exécution situé au lien ''http://www.cbp.ens-lyon.fr/emmanuel.quemener/documents/alad_water.tgz''
  * Décompressez l'archive
  * Exécutez la commande ''/usr/bin/time mpirun -np 4 /local/$USER/GENESIS/gpu-single/bin/spdyn inp''
  * Observez pendant l'exécution l'activité des coeurs et des GPU
  * Notez le ''Elapsed Time''
  * 
  * Exécutez la commande ''/usr/bin/time mpirun -np 4 -x OMP_NUM_THREADS=$OPTIMAL_THREADS /local/$USER/GENESIS/gpu-single/bin/spdyn inp''
  * 
</note>

===== Conclusion =====

Comme vous l'aurez remarqué au cours de ces Travaux Pratiques, l'exploitation peut être pleine de surprises : une métrologie pertinente ne peut se passer de la connaissance du matériel exploité.

L'exploitation de "codes métier" vous aura aussi permis d'entrevoir la difficulté d'intégrer et d'exécuter des programmes dans des environnements pourtant bien homogènes : toutes les stations exploitées ont exactement le même système d'exploitation, [[developpement:productions:SIDUS|SIDUS]]. Les "astuces" permettant de simplement pouvoir exécuter les programmes illustraient aussi que, sans expérience, difficile de s'en sortir.

 --- //[[emmanuel.quemener@ens-lyon.fr|Emmanuel Quemener]] 2020/01/01 19:44//