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1 インテル Xeon Phi プロセッサーの 高帯域幅メモリーを活用するコードの作成 Ruchira Sasanka Karthik Raman 開発ツール Web セミナー 2016 年 10 月 11 日

2 法務上の注意書き 本資料に掲載されている情報は インテル製品の概要説明を目的としたものです 本資料は 明示されているか否かにかかわらず また禁反言によるとよらずにかかわらず いかなる知的財産権のライセンスも許諾するものではありません 製品に付属の売買契約書 Intel's Terms and Conditions of Sale に規定されている場合を除き インテルはいかなる責任を負うものではなく またインテル製品の販売や使用に関する明示または黙示の保証 ( 特定目的への適合性 商品適格性 あらゆる特許権 著作権 その他知的財産権の非侵害性への保証を含む ) に関してもいかなる責任も負いません ミッション クリティカルなアプリケーション とは インテル製品の欠陥や故障によって 直接的または間接的に 人身事故または死亡事故が発生する可能性があるアプリケーションです そのようなミッション クリティカルなアプリケーションのためにインテル製品を購入または使用する場合 ユーザーは インテル製品またはその部品の設計 製造 または警告におけるインテルまたはその下請会社の過失の有無にかかわらず そのようなミッション クリティカルなアプリケーションによって生じるあらゆる製造物責任賠償の請求 人身事故 または死亡事故に直接的または間接的に起因する保険金支払費用 損害 経費 および妥当な弁護士費用のすべてを補償し インテルとその子会社 下請会社 関連会社 およびそれぞれの役員 職員 従業員に何らの損害も与えないものとします インテル製品は 予告なく仕様や説明が変更される場合があります 本資料に記載されているすべての製品 日付 および数値は 現在の予想に基づくものであり 予告なく変更されることがあります インテルのプロセッサー チップセット およびデスクトップ ボードには エラッタと呼ばれる設計上の不具合が含まれている可能性があり 公表されている仕様とは異なる動作をする場合があります 現在確認済みのエラッタについては インテルまでお問い合わせください 開発コード名 ( コードネーム ) は開発中の製品を識別するためにインテル社内で使用されているものであり リリース向けに公表されているものではありません カスタマー ライセンシー および他の第三者が いかなる製品またはサービスの広告 プロモーションまたはマーケティングにコードネームを使用することはインテルによって許可されておらず インテルの社内コードネームのそのような使用は ユーザーの自己責任となります 本プレゼンテーションに記載されたインテルの製品計画は インテルの POR 製品ロードマップではありません インテルの現在の POR 製品ロードマップをご希望の方は インテルの担当者までお問い合わせください パフォーマンスの数値 : 性能に関するテストに使用されるソフトウェアとワークロードは 性能がインテル マイクロプロセッサー用に最適化されていることがあります SYSmark* や MobileMark* などの性能テストは 特定のコンピューター システム コンポーネント ソフトウェア 操作 機能に基づいて行ったものです 結果はこれらの要因によって異なります 製品の購入を検討される場合は 他の製品と組み合わせた場合の本製品の性能など ほかの情報や性能テストも参考にして パフォーマンスを総合的に評価することをお勧めします 詳細については ( 英語 ) を参照してください 2017 Intel Corporation. 無断での引用 転載を禁じます Intel インテル Intel ロゴ Xeon Intel Xeon Phi VTune は アメリカ合衆国および / またはその他の国における Intel Corporation の商標です * その他の社名 製品名などは 一般に各社の表示 商標または登録商標です コンパイラーの最適化に関する詳細は 最適化に関する注意事項を参照してください 2

3 略語 BW : 帯域幅 DDR : Double Data Rate (DRAM) HSW BDW : インテル Xeon プロセッサー E5 v3 ファミリー : インテル Xeon プロセッサー E5 v4 ファミリー ( 開発コード名 : Haswell) ( 開発コード名 : Broadwell) KNL : 第 2 世代インテル Xeon Phi プロセッサー ( 開発コード名 : Knights Landing) MCDRAM : マルチチャネル DRAM ( 高帯域幅メモリー /HBM) SNC : Sub Numa Clustering (KNL クラスターモードの 1 つ ) NUMA : Non-Uniform Memory Access RHEL : Red Hat* Enterprise Linux* 開発コード名 * その他の社名 製品名などは 一般に各社の表示 商標または登録商標です 3

4 内容 MCDRAM とは KNL と MCDRAM モードの紹介 MCDRAM が適しているアプリケーション インテル VTune Amplifier でコード / データ構造の帯域幅を調べる MCDRAM でのデータ構造の割り当て方法 numactl memkind/autohbw ライブラリーを使用する MCDRAM 対応アプリケーションのテスト方法 KNL システムでパフォーマンスを評価する まとめ 開発コード名 4

5 KNL の概要 チップ : 最大 36 タイル 2D メッシュでインターコネクトタイル : 2 コア + 2 VPU/ コア + 1MB L2 最大 メモリー : MCDRAM: 16GB オンパッケージ 高帯域幅 DDR4: 最大 384GB IO: 36 レーン PCIe* Gen3. DMI の 4 レーンはチップセット用ノード : 1 ソケットのみファブリック : インテル Omni-Path アーキテクチャー ( オンパッケージ ) ベクトルピーク性能 : 3+TF DP/6+TF SP Flops スカラー性能 : Knights Corner の 3 倍以上 MCDRAM の帯域幅は DDR の約 4.5 倍 Streams Triad (GB/s): MCDRAM: 400+ DDR: 90+ 出典インテル : すべての製品 コンピューター システム 日付 図は現在の予想に基づくものであり 予告なく変更されることがあります KNL のデータは現在の予想に基づくものであり 予告なく変更されることがあります 1. Haswell 命令セット ( インテル TSX を除く ) 対応のインテル Xeon プロセッサーとバイナリー互換です 2. 帯域幅は MCDRAM を Flat メモリーで使用した場合の STREAM 形式のメモリー アクセス パターンに基づきます 結果はインテル社内での分析に基づいた推定値であり 情報提供のみを目的としています システム ハードウェア ソフトウェアの設計 構成などの違いにより 実際の性能は掲載された性能テストや評価とは異なる場合があります * その他の社名 製品名などは 一般に各社の表示 商標または登録商標です 詳細 : ( 英語 ) 開発コード名 5

6 MCDRAM のモード Cache モード ソースの変更は不要 ミスのコストが高い ( レイテンシーが高い ) MCDRAM アクセス + DDR アクセスが必要 KNL コア + アンコア (L2) MCDRAM ( キャッシュ ) DDR Flat モード MCDRAM は物理アドレス空間にマップされる NUMA ノードとして認識される numactl --hardware lscpu を使用して設定を表示 memkind ライブラリーまたは numactl からアクセス KNL コア + アンコア (L2) 物理アドレス空間 MCDRAM ( メモリー ) DDR Hybrid モード 上記の 2 つのモードの組み合わせ 例 : 8GB Cache モード + 8GB Flat モード KNL コア + アンコア (L2) MCDRAM ( キャッシュ ) 物理アドレス空間 DDR MCDRAM ( メモリー ) 開発コード名 6

7 MCDRAM (Cache モード ) MCDRAM (Flat モード ) 長所 ソフトウェアの変更は不要 帯域幅が高い (DDR との比較 ) 短所 DDR アクセスよりレイテンシーが高い キャッシュミスなど ミスは DDR の帯域幅により制限される メモリーはすべて次のように転送される DDR -> MCDRAM -> L2 メモリー サイド キャッシュ アドレス指定可能なメモリーが少ない 直接マップされたキャッシュによる競合 KNL コア + アンコア (L2) MCDRAM ( キャッシュ ) DDR 長所 帯域幅が最大 低レイテンシー KNL コア + アンコア (L2) MCDRAM ( メモリー ) DDR MCDRAM キャッシュミスがない アドレス指定可能なメモリーが最大 ハイパフォーマンス アプリケーションのみが利用するように MCDRAM を分離 短所 ソフトウェアの変更 ( またはインターポーザー ライブラリー ) が必要 同じアプリケーションで DDR と MCDRAM を使用するため データ構造の配置を考慮する必要がある MCDRAM は有限のリソースであり追跡が複雑になる 開発コード名 7

8 内容 MCDRAM とは KNL と MCDRAM モードの紹介 MCDRAM が適しているアプリケーション インテル VTune Amplifier でコード / データ構造の帯域幅を調べる MCDRAM でのデータ構造の割り当て方法 numactl memkind/autohbw ライブラリーを使用する MCDRAM 対応アプリケーションのテスト方法 KNL システムでパフォーマンスを評価する 開発コード名 8

9 インテル VTune Amplifier のメモリーアクセス解析 メモリー関連の問題を調べるインテル VTune Amplifier の新しい解析タイプ アプリケーションのメモリー帯域幅特性 ( インテル Xeon プロセッサーの QPI 帯域幅を含む ) KNL MCDRAM のメモリー オブジェクト解析 メモリー オブジェクト解析 ダイナミック / スタティック メモリー オブジェクトを検出 ( ヒープとスタックで割り当て ) メモリー オブジェクトにパフォーマンス イベントを関連付ける ( 配列 / データ構造 ) KNL MCDRAM 割り当てに最適な候補の識別を支援 インテル VTune Amplifier XE 2016 以降で利用可能 最新のインテル VTune Amplifier XE 2017 の利用を推奨 開発コード名 9

10 データ収集の方法 Linux* コマンドライン (Knights Landing ) amplxe-cl -collect memory-access -data-limit=0 r <result-dir> -knob analyze-memobjects=true -knob mem-object-size-min-thres=1024./blackscholessp.knl インテル VTune Amplifier GUI [Microarchitecture Analysis ( マイクロアーキテクチャー解析 )] メニューの [Analysis Type ( 解析タイプ )] タブ 開発コード名 * その他の社名 製品名などは 一般に各社の表示 商標または登録商標です 10

11 サマリービュー : 帯域幅ヒストグラム 帯域幅ヒストグラム : アプリケーションの実測時間 (y 軸 ) と特定の値で使用された帯域幅 (x 軸 ) を表示 11

12 ボトムアップ ビュー 帯域幅使用状況のタイムライン ビュー メモリー割り当てコールスタック MCDRAM の帯域幅を表示するチェックボックス メモリー オブジェクトは対応する割り当てソース行とサイズで関数ごとにソートされる パフォーマンス カウンターとメトリックでメモリー問題に直面している関数を識別 12

13 ビュー : メモリー オブジェクトのグループ メモリー オブジェクトを含む新しいグループのセット [Bottom-up ( ボトムアップ )] ビューの [Grouping ( グループ )] タブを選択して利用可能なグループのリストを表示 13

14 ビュー : メモリー オブジェクト メモリー オブジェクトは割り当てソース行とコールスタックで識別される メモリー オブジェクトをダブルクリックすると malloc/allocate が呼び出されたソース行またはグローバル変数が定義されたソース行が表示される 14

15 ビュー : メトリック パフォーマンス メトリック CPU 時間 / メモリー依存メトリックはメモリー問題を含む関数の識別に使用できる L2 ミスカウントはメモリー オブジェクトの特徴付け / ソートに使用できる 帯域幅の使用状況 ユーザーは帯域幅の使用率が高い領域を選択できる ズームおよびフィルターで関数 / メモリー オブジェクト プロファイルを更新 高帯域幅に関連付けられているメモリー オブジェクトの識別に使用できる 15

16 一般的な KNL MCDRAM 解析ワークフロー 注 : これらの処理は一部の Haswell /Broadwell ベースのシステムでも可能 KNL でインテル VTune Amplifier を使用して (DDR を使い果たす ) メモリーアクセス データを収集する [Function/Memory Object Allocation Source/Allocation Stack ( 関数 / メモリー オブジェクト割り当てソース / 割り当てスタック )] または [Bandwidth Domain/Bandwidth Utilization Type/Memory Object Allocation Source/Allocation Stack ( 帯域幅ドメイン / 帯域幅の使用状況 / メモリー オブジェクト割り当てソース / 割り当てスタック )] グループを選択する [Bottom-up ( ボトムアップ )] ビューで 高帯域幅領域をズームおよびフィルターする 関数によりアクセスされたメモリー オブジェクトを確認する L2 ( または最終レベルキャッシュ ) ミスでメモリー オブジェクトをソートする 高帯域幅関数で最も参照されているメモリー オブジェクトは帯域幅が制限されている可能性がある 上記の解析に基づいて KNL MCDRAM での割り当てに使用するメモリー オブジェクトを選択する 次のステップは高帯域幅 API/Fortran 属性を使用した高帯域幅メモリー オブジェクトの割り当て 開発コード名 16

17 現時点の制限事項 スタック割り当てメモリー 現在 スタック割り当てメモリーは Unknown ( 不明 ) と表示される ユーザーはソース行にドリルダウンしてアクセスされている変数を確認できる フィルターを使用して未解決のメモリー オブジェクトを区別できる スタック割り当てとヒープ割り当て メモリーへのストア KNL には precise ストアイベントがない ストアに関連付けられた DLA ( データ リニア アドレス ) がない Haswell /Broadwell はストアに関連付けられたメモリー オブジェクトの追跡に使用できる メモリー オブジェクトのインストルメンテーションは現在 Linux* でのみ利用可能 開発コード名 * その他の社名 製品名などは 一般に各社の表示 商標または登録商標です 17

18 内容 MCDRAM とは KNL と MCDRAM モードの紹介 MCDRAM が適しているアプリケーション インテル VTune Amplifier でコード / データ構造の帯域幅を調べる MCDRAM でのデータ構造の割り当て方法 numactl memkind/autohbw ライブラリーを使用する MCDRAM 対応アプリケーションのテスト方法 KNL システムでパフォーマンスを評価する 開発コード名 18

19 Flat モードでの MCDRAM のアクセス オプション A: numactl を使用する アプリケーション全体が MCDRAM に収まる場合は最適 オプション B: ライブラリーを使用する memkind ライブラリー ライブラリー呼び出しまたはコンパイラー ディレクティブ (Fortran) を使用 ソースの変更が必要 AutoHBW (memkind ベースのインターポーザー ライブラリー ) ソースの変更は不要 ( 割り当てのサイズに基づく ) 個々の割り当てを細かく制御できない オプション C: 直接 OS システムコールを使用する mmap(2) mbind(2) libnuma library (numa(3)) 非推奨の方法 ページ粒度 OS シリアル化 プール管理なし 19

20 オプション A: numactl で MCDRAM にアクセス MCDRAM は OS/ ソフトウェアで NUMA ノードとして扱われる numactl は NUMA システム制御の標準ユーティリティー 説明は man numactl を参照 numactl --hardware でシステムの NUMA 構成を確認できる available: 1 nodes (0) node 0 cpus: node 0 size: MB node 0 free: MB node distances: node 0 0: 10 Cache モード available: 2 nodes (0-1) node 0 cpus: node 0 size: MB node 0 free: MB node 1 cpus: node 1 size: MB node 1 free: MB node distances: node 0 1 0: : Flat モード 20

21 オプション A: numactl で MCDRAM にアクセス ( 続き ) 合計メモリー フットプリントが MCDRAM のサイズよりも小さい場合 numactl を使用してアプリケーションのすべてを MCDRAM に割り当てる numactl --membind=mcdram_id <your_command> mcdram_id は MCDRAM ノード の ID 注意 : フットプリントが MCDRAM のサイズよりも大きくスワップを有効にしている場合 アプリケーションはディスクにスワップされる 合計メモリー フットプリントが MCDRAM のサイズよりも大きい場合 numactl を使用してアプリケーションの一部を MCDRAM に割り当て可能 numactl --preferred=mcdram_id <your_command> MCDRAM に割り当てられない部分は DDR に割り当てられる ヒント : 最初にメモリーにアクセスした高帯域幅構造を MCDRAM に割り当てる ( ファーストタッチ ポリシー ) このポリシーはスタック変数にも当てはまる numactl --interleave=nodes <your_command> 割り当てはすべてのノードに対して行われる 21

22 オプション B: memkind で MCDRAM にアクセス DDR から 1000 の float を割り当てる float *fv; fv = (float *)malloc(sizeof(float) * 1000); MCDRAM から 1000 の float を割り当てる #include <hbwmalloc.h> float *fv; fv = (float *)hbw_malloc(sizeof(float) * 1000); インテル Fortran コンパイラーでの MCDRAM と DDR からの配列の割り当て c 動的配列を宣言する REAL, ALLOCATABLE :: A(:), B(:), C(:)!DEC$ ATTRIBUTES FASTMEM :: A c c c c c c NSIZE=1024 MCDRAM から配列 A を割り当てる ALLOCATE (A(1:NSIZE)) DDR からの配列を割り当てる ALLOCATE (B(NSIZE), C(NSIZE)) 22

23 オプション B.2: AutoHBW AutoHBW: memkind に含まれるインターポーザー ライブラリー MCDRAM からメモリーを自動的に割り当てる ヒープ割り当て (malloc/calloc など ) が指定されたしきい値よりも大きい場合 MCDRAM メモリーを検証する最も簡単な方法は AutoHBW を使用すること LD_PRELOAD=libautohbw.so:libmemkind.so./app 環境変数 (autohbw_readme を参照 ) AUTO_HBW_SIZE=x[:y] x よりも大きな割り当ておよび y よりも小さな割り当てを高帯域幅メモリーに割り当てる AUTO_HBW_MEM_TYPE=memory_type 割り当てる高帯域幅メモリーの種類を設定する (MEMKIND_HBW など ) AUTO_HBW_LOG=level 追加のログ情報 配列のソースの位置を調べる export AUTO_HBW_LOG=2./app_name > log.txt autohbw_get_src_lines.pl log.txt app_name 23

24 memkind ライブラリーの入手方法 ホームページ : ( 英語 ) メーリングリスト : ( 英語 ) パッケージのダウンロード Fedora* 21 以降 : yum install memkind RHEL 7: yum install epel-release; yum install memkind 別の方法 (1) ソースからビルド git clone ビルド方法は CONTRIBUTING ファイルを参照 別の方法 (2) XPPS ( インテル Xeon Phi プロセッサー ソフトウェア ) からダウンロード XPPS ( をダウンロード memkind rpm を untar してインストール xppsl-<ver>/<os-ver>/srpms/xppsl-memkind-<ver>.src.rpm AutoHBW を入手するには memkind src.rpm を使用する必要がある * その他の社名 製品名などは 一般に各社の表示 商標または登録商標です 24

25 まとめ : コマンドラインのサンプル 1. Cache モード available: 1 nodes (0) node 0 cpus: node 0 size: MB node 0 free: MB node distances: node 0 0: 10 $./app $ mpirun np 72./app Cache モードは追加のソフトウェア サポートは不要 numactl hardware を使用して出力する 2. Flat モード available: 2 nodes (0-1) node 0 cpus: node 0 size: MB node 0 free: MB node 1 cpus: node 1 size: MB node 1 free: MB node distances: node 0 1 0: : $ mpirun np 68 numactl m 1./app # MCDRAM BIND $ mpirun np 68 numactl --preferred=1./app # MCDRAM PREFERRED $ LD_PRELOAD=libautohbw.so:libmemkind.so./app # AutoHBW $ mpirun np 68./app # DDR4 ( デフォルト ) 最後のケースでは memkind API または Fortran の fastmem 属性を使用して MCDRAM に高帯域幅データを明示的に割り当てる必要がある 25

26 内容 MCDRAM とは KNL と MCDRAM モードの紹介 MCDRAM が適しているアプリケーション インテル VTune Amplifier でコード / データ構造の帯域幅を調べる MCDRAM でのデータ構造の割り当て方法 numactl memkind/autohbw ライブラリーを使用する MCDRAM 対応アプリケーションのテスト方法 KNL システムでパフォーマンスを評価する 開発コード名 26

27 MCDRAM のメモリー割り当ての確認 MCDRAM の使用状況の表示 numastat m 各 NUMA ノードについて表示する 膨大なページ情報を含む numastat -p <pid> または numastat p exec_name プロセス <pid> に関する情報 例 : watch -n 1 numastat -p exec_name cat /sys/devices/system/node/node*/meminfo 各 NUMA ノードに関する情報 cat /proc/meminfo システムの情報を集計 スワップの状況を表示する MCDRAM ノードの情報を提供するユーティリティー <memkind_install_dir>/bin/memkind-hbw-nodes numactl --hardware lscpu 27

28 10 億オプション / 秒 ( 高いほど良い ) KNL での MCDRAM のパフォーマンスの評価 numactl で BlackScholesSP を実行 % コンパイル : icpc O3 BlackScholesSP.cpp xmic-avx512 qopenmp -fimf-precision=low -fimf-domain-exclusion=31 -no-prec-div -no-prec-sqrt o BlackScholesSP.knl % 環境設定 : export KMP_PLACE_THREADS=68C,4T; export KMP_AFFINITY= compact,granularity=thread % 実行 : numactl --membind=1./blackscholessp.knl hbwmalloc で BlackScholesSP を実行 % 上記のコンパイラー オプションに加えて -lmemkind (memkind ライブラリーをリンク ) を追加する %./BlackscholesSP.knl.hbw BlackScholesSP のパフォーマンス KNL 7250 (68 コア 1.4GHz) #pragma omp parallel reduction(+ : sum_delta) reduction(+ : sum_ref) { float *Call, *Put, *Stock, *Strike, *Time; hbw_posix_memalign((void **)&Stock, ALIGN, mem_size); hbw_posix_memalign((void **)&Strike, ALIGN, msize); hbw_posix_memalign((void **)&Time, ALIGN, msize); hbw_posix_memalign((void **)&Call, ALIGN, msize); hbw_posix_memalign((void **)&Put, ALIGN, msize); // 数値を設定 hbw_free(call); hbw_free(put); hbw_free(stock); hbw_free(strike); hbw_free(time); } // omp parallel セクションの最後 DDR MCDRAM Cache MCDRAM Flat (numactl -p 1 ) MCDRAM Flat (memkind) MCDRAM (Flat モード ) > DDR 約 4.5 倍 開発コード名 28

29 インテル MPI ライブラリーのアフィニティー 別々の NUMA ノードとして認識される異なる種類のメモリー (DDR MCDRAM...) への MPI プロセスのメモリー割り当てをサポート I_MPI_HBW_POLICY = <value> <value> 使用されるメモリー割り当てポリシー hbw_preferred hbw_bind hbw_interleave 各プロセスにローカルの高帯域幅メモリーを割り当てる 高帯域幅メモリーが利用できない場合 ローカルの DRAM を割り当てる 各プロセスにローカルの高帯域幅メモリーのみを割り当てる ラウンドロビン方式でローカルノードの高帯域幅メモリーと DRAM を割り当てる 古い MPI 実行コマンドライン mpirun -n 16 numactl --preferred 1./app 新しいコマンドライン I_MPI_HBW_POLICY=hbw_preferred mpirun n 16./app これらの新しいアフィニティー ( およびその他の ) 機能はインテル MPI ライブラリー 2017 ですでに利用可能 29

30 まとめ : オプション 何もしない DDR の帯域幅で十分な場合 インテル VTune Amplifier を使用して確認する numactl を使用してアプリケーションを MCDRAM に配置する アプリケーション全体が MCDRAM に収まる場合は最適 numastat/vmstat/top を使用してメモリー フットプリントを調べる アプリケーション全体が MCDRAM に収まらない場合は numactl --preferred を使用する MCDRAM Cache モードを使用する 簡単にテスト可能 ソースの変更は不要 AutoHBW を使用する 簡単に異なるパラメーターでテスト可能 ソースの変更は不要 memkind API を使用する インテル VTune Amplifier を使用して高帯域幅の構造を特定する 30

31 Thank You! ご清聴ありがとうございました 貴重な情報やフィードバックをいただいたインテルの皆さん および この Web セミナーに参加していただいた登録者の皆さんに感謝します 31

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