Blas-Lapack-Benchmark

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1 無償 BLAS/LAPACK ライブラリによる 浮動小数点演算ベンチマーク結果 ベンチマークを実施した切っ掛け (1) Core 2 Quad マシンの調子がおかしくなったので 2015 年に発売された第 6 世代の Intel CPU(Skylake) マシンを購入した (2) Intel Core i シリーズは 拡張命令が進化している Wikipedia によると従来の SSE3,4 と比べて AVX(Sandy Bridge) で 2 倍 AVX2 (Haswell) で 4 倍の演算能力 [1] (3) Scilab 用ベンチマークスクリプト / 行列演算の FLOPS 計算が公開されているので [2] 理論値と比較が可能 (4) R のベンチマーク結果が多数公開されているので 相対比較可能 (5) Windows 版の Scilab は 古いバージョン? の Intel MKL がデフォルトでインストールされ 理論値に近い値が得られた 併せて Linux/OpenBlas の環境で比較した Windows と Linux でのベンチマーク結果の概要 (Scilab R) Windows 用 Scilab はデフォルト環境で高速 Linux で OpenBlas をインストールすると 理論値に近い演算能力が得られた (Skylake ではソースからのビルドが必要 )

2 1. ベンチマークを行ったマシン ( 全て 4 コア OS は 64bit 版 ) 型番 CPU RAM OS Disk 構成 HPE-190JP Core i GHz HP EliteBook 8460w HP ENVY 17 自作マザーボード ASUSTek H170-Pro Core i7 2630QM 2GHz Core i7 4700MQ 2.4GHz Core i5 6600K 3.5GHz 12GB 8GB デュアルブート Windows 7 Pro Debian 8 内蔵と esata のデュアルブート Debian 8 Arch Linux Debian-Sid ( コンソールモート ) 16GB Window 8.1 Pro 32GB デュアルブート Windows 7 Pro Ubuntu TB/HDD 320GB/HDD 500GB/HDD (Windows 7 を Debian 8-KDE に入れ替え ) 2TB/eSATA 接続 HDD (PC オーディオ用 スタンドアローン ) 256GB*2/SSD 480GB/SSD+3TB/HDD 1TB/HDD Linux の入れ替えが容易なように 基本的に 1 ドライブに 1OS インストール

3 独り言 - 趣味のオーディオについて - 1. メインのオーディオ :USB-DD コンバータにより S/PDIF に変換して 古い DA コンバータ (Birdland Audio / U.S.A の ODEON-LITE) からオーディオ装置に接続 2.PC 用のサウンドカード / Onkyo SE-200PCI ltd は 当時 PC 用としては高音質といわれていたが ODEON-LITE と比べると 馬力が足りないなど圧倒的な差がある 安物の中華デジタルアンプと小型スヒ ーカー ( サフ オーテ ィオ ) でもすぐに分かる ( 音源は wave ファイル ) 3.SE-200PCI ltd において 別の Linux PC のマザーボードから光入力して音を出した方が Windows 7 よりも音が良かった なお SE-200PCI ltd はオンボード音源よりは高音質だと考え PCI スロットのあるマザーボードを選択した PC 電源は高グレードとした 4. メインのオーディオ用 Linux は コンソールモードでミニマムインストールとして ファイル操作とカーネルのビルド ALSA 設定用に Xfce4 をインストール Display Manager をインストールしていないので startxfce4(arch), startx(debian) を入力しないと X が起動しない ソフト (music on console) から ALSA へ直接出力するように設定 カーネルのパッチ適用config 設定 ビルド ALSA 設定 静音化のパワー設定などが面倒 X なしの方が音がクリア 5.Linux-Kernel のバージョンアップにより音質が向上した 3.2 では粗さが目立ったが 3.14 でオーディオ用 CD プレイヤー並みの音質になった なお DSD レコーディングの SACD( アコースティックのジャズ, クラシック ) には勝てません 6.Arch Linux( 切れが良い ) と Debian( 奥行のある - オーケストラ向き ) で音像が異なる

4 マザーボード (ASUS H170Pro): 複数ドライブ環境のデュアルブート構築 Installing Ubuntu in UEFI mode[10] によると レガシー BIOS/GPT-UEFI を合わせるとの記載があった SATA 接続のドライブにマザーボードの DVD USB 接続の DVD から Windows 7 を UEFI モードでブートし Windows をインストールした Windows のドライブを取り外して 別の HDD に Ubuntu を UEFI モードでインストールした この状態で作成したシステム修復ディスクを試しに起動すると 正常に起動しなくなった Linux のドライブを外して 再起動すると自動修復できたが PC1 台で 2 個の EFI システムパーテーション (ESP) を使うのは危険なことを痛感した マザーボード (ASUS H170Pro) でドライブを分ける環境において 以下の方法で順調に動作している なお Linux の選択は 起動時に F8 を押して Linux をインストールしたドライブを選ぶ Windows 7 は UEFI モードでインストール ( ク ラフィックホ ート ELSA のホームページにおいて UEFI BIOS が必要と記載があったので UEFI モードにした ) Linux は レガシー BIOS モードでインストール (2.2TB の壁は気にしない データ用は USB3.0 接続であれば高速 内蔵ト ライフ 追加も可 ) Windows 10 にアップグレードしない方が吉?

5 2. 使用したベンチマークスクリプト ライブラリ BLAS/LAPACK のライブラリの変更で高速化が可能な scilab と R により比較した 1.Scilab 用 bench_matmul.sce [2] n n の乱数行列の計算時間から MFLOPS を求めるスクリプト MFLOPS で出力されるので CPU の理想的な性能との比較が可能 2.R 用 R-benchmark-25.R [3] 総合的なベンチマーク 時間で比較 ベンチマーク結果が多い ( OpenBlas R 高速化 MKL R 高速化 で検索するとすぐに見つかる )

6 Windows 版 Intel Math Kernel Library 10.3 for Scilab 5.5.x C: Program Files scilab bin readme-mkl.txt の抜粋 (License や Release Notes では 11.0) Scilab 5.5.x uses Basic Linear Algebra Subprograms BLAS Scilab also uses BLAS behind its core numerical linear algebra routines from LAPACK. Processors Minimum Recommended Supported : * Intel Core processor family ( 世代不明の Xeon Pentium4 AMD 社 CPU は省略 ) Intel Software Development Products License Agreement : Intel Math Kernel Library 11.0 Licensing FAQ : Intel Math Kernel Library 11.0 for Windows* - Release Notes Allan CORNET - Consortium Scilab - DIGITEO Antoine ELIAS - Scilab Enterprises

7 Ubuntu 版 OpenBlas (Synaptic のコメントより ) Optimized BLAS (linear algebra) library (shared library) OpenBLAS is an optimized BLAS library based on GotoBLAS BSD version. Unlike Atlas, OpenBLAS provides a multiple architecture library. All kernel will be included in the library and dynamically switched to the best architecture at run time (only on x86 arches). 追記 : Skylake マシンでは 自動検出に失敗した HASWELL の仮想マシンでは 64bit 対応の x86 全 cpu のビルドするように動作したので HASWELL 指定でビルドした その後で リポジトリのバイナリで同等性能であること確認した For more information on how to rebuild locally OpenBLAS, see the section:"building Optimized OpenBLAS Packages on your ARCH" in README.Debian

8 Core i5 6600k/Ubuntu OpenBlas のソースコードからビルド 1. OpenBlas の intel 製 CPU の対応 -TargetList より P2, KATMAI, COPPERMINE, NORTHWOOD, PRESCOTT, BANIAS, YONAH, CORE2, PENRYN, DUNNINGTON, NEHALEM, SANDYBRIDGE, HASWELL, ATOM 2. ソースコードからのビルド方法 [4] deb ファイルを作成し 自動的に blas/lapack とリンクさせるため Ubuntu15.10 のソースからビルドした $ apt-get source openblas $ sudo apt-get build-dep openblas 展開されたフォルダに移動 $ dpkg-buildpackage -b uc (CPU の自動検出に失敗 停止 ) debian/rules を編集 ENABLE_DYNAMIC_ARCHS をコメントアウトし GENERIC_OPTIONS += TARGET=HASWELL により CPU 指定 $ dpkg-buildpackage -b uc を再実行

9 Core i5 6600K 用 deb パッケージのビルド結果 展開したフォルダ内 :Haswell 用のライブラリが作成された

10 Core i5 6600K 用 deb パッケージのビルド結果 (2) 一つ上のフォルダに 3 個の deb ファイルが作成された インストールは 以下のコマンドを実行 $ cd.. $ sudo dpkg i *.deb

11 実行時の使用ライブラリの確認 - 参考 [5] Scilab R 共に openblas のライブラリを使用していることを確認 Scilab 実行時のライブラリ ( lsof -p 2353 grep blas lapack ) /usr/lib/openblas-base/liblapack.so.3 /usr/lib/libopenblas_haswellp-r so /usr/lib/openblas-base/libblas.so.3 R 実行時のライブラリ ( lsof -p 2212 grep blas lapack ) /usr/lib/openblas-base/liblapack.so.3 /usr/lib/libopenblas_haswellp-r so /usr/lib/openblas-base/libblas.so.3 注記 :Linux の端末では はバックスラッシュ

12 3. ベンチマーク測定 Scilab / bench_matmul.sce CPU は 全て 4 コア OS は 64bit 版 Core i GHz CPU OS Scilabの バージョン Core i7 2630QM 2.0GHz Core i7 4700MQ 2.4GHz Core i5 6600K 3.5GHz Debian 8 (GNOME) Windows 7 Pro Debian 8 (KDE*) Windows 8.1 Pro ライブラリ OpenBlas リポジトリ MKL 10.3? for Scilab OpenBlas リポジトリ MKL 10.3? for Scilab Ubuntu OpenBlas リポジトリ Windows 7 Pro OpenBlas ビルド MKL 10.3? for Scilab 速度 :GFOPS ( 理論値 ) 49.8 (51.2) 45.2 (51.2) 59.8 (64) 124 (154) 44 (224?) 179 (224?) 167 (224?) *AMD( 旧 ATI) の catalyst ドライバが GNOME 非対応のため フルデスクトップ機能の KDE とした

13 R / R-benchmark-25.R Core i7 3770K 3.5GHz 4 コア RAM 16GB Ubuntu [6] ライブラリ GNU インテル MKL & インテル コ ンパイラー 2800x2800 行列のクロス積 (b = a * a) 3000x3000 行列のコレスキー分解 15 種類の全テストの合計時間 Core i5 6600K 3.5GHz 4 コア RAM 32GB Ubuntu OpenBlas ソースからビルド Windows 7 Pro デフォルト環境 単位 : 秒第 6 世代の Core i シリーズでは Linux 環境で Haswell 指定でソースから openblas をビルドすれば 行列演算が数十倍速くなる注記 :MKL の資料は第 3 世代の Core i 7 なお 最新の OpenBlas の単独ビルドでは Haswell として自動認識された

14 仮想マシン上でのベンチマーク 仮想ソフトウェア :Vmware Workstation 12 Player マシン Core i5 6600K 3.5GHz, RAM 32GB Core i7 4700MQ 2.4GHz, RAM 16GB ホスト OS Windows 7 Pro Windows 8.1 Pro ゲスト OS Ubuntu コア割り当て ライブラリ Openblas をソースからビルド (HASWELL) Ubuntu コア割り当て Openblas リポジトリ ビルド同等の速度 Scilab bench_matmul.sce 97.4 GFLOPS 92.5 ~ 109 GFLOPS 温度によるターボ ブーストの差? R 秒 2800x2800 行列のクロス積 (b = a * a) 3000x3000 行列のコレスキー分解 15 種類の全テストの合計時間 仮想マシン上においても 割り当てコア数相当の速度が出た

15 参考情報 Intel MKL 無償に No Cost Options for Intel Math Kernel Library (MKL), Support Yourself, Royalty Free -Submitted by James Reinders (Intel) on August 31, 以下のバージョン / ライセンスがある ( ユーザー登録が必要 ) Community Licenses for Everyone: Community Licensing for Intel Performance Libraries Evaluation Copies for Everyone: Try before you buy Use as an Academic Researcher: Qualify for Use as an Academic Researcher Student, Teacher: Qualify for Use as a Student, Educator Use as an Open Source Contributor: Qualify for Use as an Open Source Contributor 注記 : デフォルトで /opt/intel にインストールされる コンパイラのライブラリとのリンクなど 利用するにはスキルが必要と思われる [7]

16 おまけ Windows 7 用仮想デスクトップソフト [8] [9] WindowsPager

17 まとめ 1.Windows のデフォルト環境 Scilab は MKL がインストールされ高速 R は遅い 2.Linux 環境 (1) 第 2 世代 : リポジトリの openblas 適用により単純な行列演算では初代 Core i7 マシン (SSE3/SSE4) の約 2 倍 (2) 第 4 世代 第 6 世代 :openblas(haswell) 適用により 3~4 倍の速度になった (1), (2) より core i7 960 のマシンは 技術計算用としては引退? (3) 高速化は vmware player の仮想環境においても有効 3. 希望事項次の Ubuntu は 長期サポート版になると思われます 次回の DEXCS 作成は できれば Haswell に最適化したライブラリの追加をお願いしたい ライセンス上の問題がなければ Intel MKL も検討してほしい

18 参考資料 - その 1 1.FLOPS 2.Scilab のベンチマークスクリプト bench_matmul.sce 3.R のベンチマークスクリプト R-benchmark-25.R 4.Debian や Ubuntu で公式パッケージのソースをダウンロード / ビルドする OpenBLAS で R を高速化 6. オープンソース Python* R Julia ベースの HPC アプリケーションの高速化インテル コンパイラーとインテル マス カーネル ライブラリー ( インテル MKL) によるパフォーマンスの向上 7. mkl numpy のインストール方法

19 参考資料 - その 2 8. 仮想的な 4 つのデスクトップ画面を使って楽に作業ができるフリーソフト WindowsPager 解凍すると実行ファイルが作成される レジストリを操作しません 64bit 版の windowspager.exe をダブルクリックするだけで動作する 9.WindowsPager のダウンロード先 10.UEFI ubuntu documentation