]> AND Private Git Repository - book_gpu.git/blob - BookGPU/Chapters/chapter2/ch2.tex
Logo AND Algorithmique Numérique Distribuée

Private GIT Repository
ch18
[book_gpu.git] / BookGPU / Chapters / chapter2 / ch2.tex
1 \chapterauthor{Raphaël Couturier}{Femto-ST Institute, University of Franche-Comte, France}
2
3 \chapter{Introduction to CUDA}
4 \label{chapter2}
5
6 \section{Introduction}
7 \label{ch2:intro}
8
9 In this chapter  we give some simple examples of CUDA  programming.  The goal is
10 not to provide an exhaustive presentation of all the functionalities of CUDA but
11 rather to give some basic elements. Of  course, readers who do not know CUDA are
12 invited  to read  other  books that  are  specialized on  CUDA programming  (for
13 example, \cite{ch2:Sanders:2010:CEI}).
14
15
16 \section{First example}
17 \label{ch2:1ex}
18
19 This first example is  intented to show how to build a  very simple program with
20 CUDA.  Its goal  is to perform the sum  of two arrays and put the  result into a
21 third array.  A CUDA program consists in  a C code which calls CUDA kernels that
22 are executed on a GPU. This code is in Listing~\ref{ch2:lst:ex1}.
23
24
25 As GPUs have  their own memory, the first step consists  of allocating memory on
26 the   GPU.   A   call   to  \texttt{cudaMalloc}\index{CUDA~functions!cudaMalloc}
27 allocates memory  on the GPU.  The  second parameter represents the  size of the
28 allocated variables, this size is expressed in bits.
29
30 \lstinputlisting[label=ch2:lst:ex1,caption=simple example]{Chapters/chapter2/ex1.cu}
31
32
33 In this example, we  want to compare the execution time of  the additions of two
34 arrays in  CPU and  GPU. So  for both these  operations, a  timer is  created to
35 measure the  time. CUDA proposes to  manipulate timers quite  easily.  The first
36 step is to create the timer\index{CUDA~functions!timer}, then to start it, and at
37 the end to stop it. For each of these operations a dedicated function is used.
38
39 In  order to  compute  the same  sum  with a  GPU, the  first  step consists  of
40 transferring the data from the CPU (considered as the host with CUDA) to the GPU
41 (considered as the  device with CUDA).  A call  to \texttt{cudaMemcpy} copies the content of an array allocated in the host to the device when the fourth
42 parameter                                 is                                 set
43 to  \texttt{cudaMemcpyHostToDevice}\index{CUDA~functions!cudaMemcpy}.  The first
44 parameter of the function is the  destination array, the second is the
45 source  array, and  the third  is the  number of  elements to  copy  (expressed in
46 bytes).
47
48 Now the  GPU contains the  data needed to  perform the addition.   In sequential
49 programming, such  addition is  achieved   with a loop  on all  the elements.
50 With a GPU,  it is possible to perform  the addition of all the  elements of the
51 two  arrays in  parallel (if  the number  of blocks  and threads  per  blocks is
52 sufficient).   In Listing~\ref{ch2:lst:ex1}  at the  beginning, a  simple kernel,
53 called \texttt{addition} is defined to  compute in parallel the summation of the
54 two     arrays.      With     CUDA,     a     kernel     starts     with     the
55 keyword   \texttt{\_\_global\_\_}   \index{CUDA~keywords!\_\_shared\_\_}   which
56 indicates that this kernel can be called from the C code.  The first instruction
57 in this kernel is used to compute the variable \texttt{tid} which represents the
58 thread index.   This thread index\index{thread  index} is computed  according to
59 the           values            of           the           block           index
60 (called  \texttt{blockIdx} \index{CUDA~keywords!blockIdx}  in CUDA)  and  of the
61 thread   index   (called   \texttt{threadIdx}\index{CUDA~keywords!threadIdx}   in
62 CUDA). Blocks of threads and thread  indexes can be decomposed into 1 dimension,
63 2 dimensions, or  3 dimensions. {\bf A REGARDER} According to the  dimension of manipulated data,
64 the appropriate dimension  can be useful. In our example,  only one dimension is
65 used.   Then using the notation  \texttt{.x}, we  can access  the  first dimension
66 (\texttt{.y}  and \texttt{.z},  respectively allow access  to the  second and
67 third dimension).   The variable \texttt{blockDim}\index{CUDA~keywords!blockDim}
68 gives the size of each block.
69
70
71
72
73
74 \section{Second example: using CUBLAS}
75 \label{ch2:2ex}
76
77 The Basic Linear Algebra Subprograms  (BLAS) allows programmers to use efficient
78 routines for basic linear operations. Those  routines  are heavily  used in  many
79 scientific applications  and are optimized for  vector operations, matrix-vector
80 operations,                           and                           matrix-matrix
81 operations~\cite{ch2:journals/ijhpca/Dongarra02}. Some  of those operations seem
82 to be  easy to  implement with CUDA.   Nevertheless, as  soon as a  reduction is
83 needed, implementing an efficient reduction routine with CUDA is far from being
84 simple. Roughly speaking, a reduction operation\index{reduction~operation} is an
85 operation  which combines  all the  elements of  an array  and extracts  a number
86 computed from all the  elements. For example, a sum, a maximum,  or a dot product
87 are reduction operations.
88
89 In this second example,   we have two vectors $A$ and $B$. First
90 of all, we want to compute the sum  of both vectors and store the result in a vector $C$. Then we want
91 to compute the  scalar product between $1/C$ and $1/A$. This  is just an example
92 which has no direct interest except to show how to program it with CUDA.
93
94 Listing~\ref{ch2:lst:ex2} shows this example with CUDA. The first kernel for the
95 addition  of two  arrays  is exactly  the same  as  the one  described in  the
96 previous example.
97
98 The  kernel  to  compute the  inverse  of  the  elements  of  an array  is  very
99 simple. For  each thread index,  the inverse of  the array replaces  the initial
100 array.
101
102 In the main function,  the beginning is very similar to the  one in the previous
103 example.  First,  the user is  asked to define  the number of elements.   Then a
104 call  to \texttt{cublasCreate}  initializes  the  CUBLAS library.   It
105 creates a handle. Then all the arrays  are allocated in the host and the device,
106 as in the  previous example.  Both arrays $A$ and $B$  are initialized.  The CPU
107 computation is performed  and the time for this  is measured. In
108 order to  compute the same result  for the GPU, first  of all, data  from the CPU
109 need to be  copied into the memory of  the GPU. For that, it is  possible to use
110 CUBLAS   function   \texttt{cublasSetVector}.    This   function   has   several
111 arguments. More precisely, the first  argument represents the number of elements
112 to transfer, the second arguments is the size of each element, the third element
113 represents the source  of the array to  transfer (in the GPU), the  fourth is an
114 offset between each element of the source  (usually this value is set to 1), the
115 fifth is  the destination (in the  GPU), and the  last is an offset  between each
116 element  of the  destination. Then  we call  the kernel  \texttt{addition} which
117 computes the  sum of all elements  of arrays $A$ and  $B$.  The \texttt{inverse}
118 kernel  is called twice,  once to  inverse elements  of array  $C$ and  once for
119 $A$. Finally,  we call the  function \texttt{cublasDdot} which computes  the dot
120 product  of two  vectors.   To use  this  routine, we  must  specify the  handle
121 initialized by  CUDA, the number  of elements to  consider, then each  vector is
122 followed by the offset between every  element.  After the GPU computation, it is
123 possible to check that both computations produce the same result.
124
125 \lstinputlisting[label=ch2:lst:ex2,caption=simple example with CUBLAS]{Chapters/chapter2/ex2.cu}
126
127 \section{Third example: matrix-matrix multiplication}
128 \label{ch2:3ex}
129
130
131
132 Matrix-matrix multiplication is an operation  which is quite easy to parallelize
133 with a GPU. If we consider that  a matrix is represented using a two-dimensional
134 array, $A[i][j]$ represents the element of  the $i$ row and of the $j$
135 column. In  many cases, it is  easier to manipulate a  one-dimentional (1D) array rather than a 2D
136 array.   With CUDA,  even if  it is  possible to  manipulate 2D  arrays,  in the
137 following we present an example based on a 1D array. For the sake of simplicity,
138 we  consider we  have  a square  matrix of  size  \texttt{size}.  So  with a  1D
139 array,  \texttt{A[i*size+j]} allows  us to  have access  to the  element  of the
140 $i$ row and of the $j$ column.
141
142 With  sequential  programming, the  matrix-matrix multiplication  is  performed using
143 three loops. We assume that $A$, $B$  represent two square matrices and the
144 result   of    the   multiplication    of   $A   \times    B$   is    $C$.   The
145 element \texttt{C[i*size+j]} is computed as follows:
146 \begin{equation}
147 C[size*i+j]=\sum_{k=0}^{size-1} A[size*i+k]*B[size*k+j];
148 \end{equation}
149
150 In Listing~\ref{ch2:lst:ex3},  the CPU computation  is performed using  3 loops,
151 one  for $i$,  one for  $j$,  and one  for $k$.   In  order to  perform the  same
152 computation on a  GPU, a naive solution consists of  considering that the matrix
153 $C$ is split into  2-dimensional blocks.  The size of each  block must be chosen
154 such that the number of threads per block is less than $1,024$.
155
156
157 In Listing~\ref{ch2:lst:ex3},  we consider that  a block contains 16  threads in
158 each   dimension,  the   variable  \texttt{width}   is  used   for   that.   The
159 variable \texttt{nbTh} represents the number of threads per block. So, 
160 to compute the matrix-matrix product on a GPU, each block of threads is assigned
161 to compute the result  of the product of the elements of  that block.  The main
162 part of the code is quite similar to the previous code.  Arrays are allocated in
163 the  CPU and  the GPU.   Matrices $A$  and $B$  are randomly  initialized.  Then
164 arrays are  transferred to the  GPU memory with call  to \texttt{cudaMemcpy}.
165 So the first step for each thread of a block is to compute the corresponding row
166 and   column.    With   a   2-dimensional   decomposition,   \texttt{int   i=
167 blockIdx.y*blockDim.y+ threadIdx.y;} allows us to compute the corresponding line
168 and  \texttt{int  j=   blockIdx.x*blockDim.x+  threadIdx.x;}  the  corresponding
169 column. Then each  thread has to compute the  sum of the product of  the row of
170 $A$   by   the  column   of   $B$.    In  order   to   use   a  register,   the
171 kernel  \texttt{matmul}  uses a  variable  called  \texttt{sum}  to compute  the
172 sum. Then the result is set into  the matrix at the right place. The computation
173 of  CPU matrix-matrix multiplication  is performed  as described  previously.  A
174 timer measures  the time.   In order to  use 2-dimensional  blocks, \texttt{dim3
175 dimGrid(size/width,size/width);} allows us  to create \texttt{size/width} blocks
176 in each  dimension.  Likewise,  \texttt{dim3 dimBlock(width,width);} is  used to
177 create \texttt{width} thread  in each dimension. After that,  the kernel for the
178 matrix  multiplication is  called. At  the end  of the  listing, the  matrix $C$
179 computed by the GPU is transferred back  into the CPU and we check that both matrices
180 C computed by the CPU and the GPU are identical with a precision of $10^{-4}$.
181
182
183 With $1,024  \times 1,024$ matrices,  on a C2070M  Tesla card, this  code takes
184 $37.68$ms to perform the multiplication. With an Intel Xeon E31245 at $3.30$GHz, it
185 takes $2465$ms  without any parallelization (using only  one core). Consequently
186 the speed up  between the CPU and GPU  version is about $65$ which  is very good
187 considering the difficulty of parallelizing this code.
188
189 \lstinputlisting[label=ch2:lst:ex3,caption=simple matrix-matrix multiplication with cuda]{Chapters/chapter2/ex3.cu}
190
191 \section{Conclusion}
192 In this  chapter, three simple CUDA  examples have been presented.  As we cannot
193 present all  the possibilities of  the CUDA programming, interested  readers are
194 invited to consult CUDA programming  introduction books if some issues regarding
195 the CUDA programming are not clear.
196
197 \putbib[Chapters/chapter2/biblio]
198