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1 \chapterauthor{Alan Gray and Kevin Stratford}{EPCC, The University of Edinburgh}
2
3 \chapter{Ludwig: multiple GPUs for a complex fluid lattice Boltzmann
4 application}
5
6 %\putbib[biblio]
7
8
9 \section{Introduction}
10 The lattice Boltzmann (LB) method \index{Lattice Boltzmann method} (for an overview see, e.g.,
11 \cite{succi-book}) has become a popular approach to a variety of fluid
12 dynamics problems.  It provides a way to solve the incompressible,
13 isothermal Navier-Stokes equations and has the attractive features of
14 being both explicit in time and local in space. This makes the LB
15 method well-suited to parallel computation. Many efficient parallel
16 implementations of the LB method have been undertaken, typically using
17 a combination of distributed domain decomposition and the Message
18 Passing Interface (MPI). However, the potential
19 performance benefits offered by GPUs has motivated a new `mixed-mode'
20 approach to address very large problems. Here, fine-grained
21 parallelism is implemented on the GPU, while MPI is reserved for
22 larger-scale parallelism.  This mixed mode is of increasing interest
23 to application programmers at a time when many supercomputing services
24 are moving
25 toward clusters of GPU accelerated nodes. The design questions which
26 arise when developing a lattice Boltzmann code for this type of
27 heterogeneous system are therefore worth studying. Furthermore, similar
28 questions also recur in many other types of stencil-based algorithms.
29
30 The first applications of LB on GPUs were to achieve fluid-like
31 effects in computer animation, rather than scientific applications per
32 se.  These early works include simple fluids~\cite{wei2004}, miscible
33 two-component flow~\cite{zhu2006}, and various image processing tasks
34 based on the use of partial differential equations~\cite{zhao2007}.
35 While these early works used relatively low level graphics APIs, the
36 first CUDA runtime interface implementation was a two-dimensional
37 simple fluid problem~\cite{toelke2010}.  Following pioneering work on
38 clusters of GPUs coupled via MPI to study air
39 pollution~\cite{fan2004}, more recent work has included mixed OpenMP
40 and CUDA~\cite{myre2011}, Posix threads and CUDA~\cite{obrecht2011},
41 and MPI and CUDA for increasingly large GPU clusters
42 \cite{bernaschi2010,xian2011,feichtinger2011}. The heterogeneous
43 nature of these systems has also spurred interest in approaches
44 including automatic code generation \cite{walshsaar2012} and auto-tuning
45 \cite{williams2011} to aid application performance.
46
47 Many of these authors make use of
48 another attractive feature of LB: the ability to include fixed
49 solid-fluid boundary conditions as a straightforward addition to
50 the algorithm to study, for example, flow in
51 porous media. This points to an important
52 application area for LB methods: that of complex fluids.
53 Complex fluids include mixtures, surfactants, liquid crystals,
54 and particle suspensions, and typically require additional physics
55 beyond the bare Navier-Stokes equations to provide a full
56 description~\cite{aidun2010}. The representation of this extra
57 physics raises additional design questions for the application
58 programmer. Here, we consider the \textit{Ludwig} code \cite{desplat}\index{Ludwig code},
59 an LB application developed specifically for complex fluids
60 (\textit{Ludwig} was named for Boltzmann, 1844--1906).
61 We will present the steps
62 required to allow \textit{Ludwig} to exploit efficiently both a single
63 GPU, and also many GPUs in parallel.  We show that
64 \textit{Ludwig} scales excellently to at least the one thousand GPU level
65 (the largest resource available at the time of writing) with
66 indications that the code will scale to much larger systems as
67 they become available. In addition, we consider the steps required
68 to represent fully-resolved moving solid particles (usually referred
69 to as colloids in the context of complex fluids). Such particles
70 need to have their surface resolved on the lattice scale in order
71 to include relevant surface physics, and must be able to move: e.g.,
72 to execute Brownian motion in response to random forces from the
73 fluid. Standard methods are available to represent such particles
74 (e.g., \cite{ladd1994,nguyen2002}) which are amenable to effective
75 domain decomposition and message passing \cite{stratford2008}.
76 We describe below the additional considerations which arise
77 for such moving particles when developing an
78 implementation on a GPU.
79
80 In the following section we provide a brief overview of the lattice
81 Boltzmann method, and mention some of the general issues which can
82 influence performance in the CPU context.
83 In Section \ref{ch14:sec:singlegpu}, we then describe the alterations
84 which are required to exploit the GPU architecture effectively, and
85 highlight how the resulting code differs from the CPU version. In
86 Section \ref{ch14:sec:parallelgpu}, we extend this description to
87 include the steps required to allow exploitation of many GPUs in
88 parallel while retaining effective scaling. We also present results for
89 a typical benchmark for a fluid-only problem in Section
90 \ref{ch14:sec:parallelgpu} to demonstrate the success of the approach.
91 In Section \ref{ch14:sec:particles}, we describe the design choices
92 which are relevant to a GPU implementation of moving particles. Finally,
93 we include a number of general observations on software
94 engineering and maintenance which arise from our experience.
95 A summary is provided in Section~\ref{ch14:sec:summary}.
96
97
98 \section{Background}\label{ch14:sec:background}
99
100 %\begin{figure}[!t]
101 %\centering
102 %\includegraphics[width=12cm]{Chapters/chapter14/figures/basiclattice}
103 %\caption{The lattice Boltzmann approach discritises space into a 3D lattice (left). The fluid is represented at each lattice site (right), by the {\it distribution} vector: each component corresponding to a specific velocity direction. Here we are interested in the {\it D3Q19} model, in which there are 3 spatial directions and 19 velocity components (including a zero component).}
104 %\label{ch14:fig:basiclattice}
105 %\end{figure}
106
107
108 For a general complex fluid problem the starting point is the
109 fluid velocity field $\mathbf{u}(\mathbf{r})$, whose evolution
110 obeys the Navier-Stokes equations describing the conservation of mass
111 (or density $\rho$), and momentum:
112 \begin{equation}
113 \rho  [ \partial_t \mathbf{u} + (\mathbf{u}.\mathbf{\nabla})\mathbf{u} ]
114 = -\nabla p + \eta \nabla^2 \mathbf{u} + \mathbf{f}(\mathbf{r}),
115 \end{equation}
116 where $p$ is the isotropic pressure and $\eta$ is the viscosity.
117 A local force $\mathbf{f}(\mathbf{r})$ provides a means for coupling
118 to other complex fluid constituents, e.g., it might represent the force
119 exerted on the fluid by a curved interface between different phases or
120 components.
121
122 The LB approach makes use of a regular three-dimensional
123 lattice (see Figure \ref{ch14:fig:decomphalo}) with discrete spacing
124 $\Delta r$. It also makes use of a
125 discrete velocity space $\mathbf{c}_i$, where the $\mathbf{c}_i$
126 are chosen to capture the correct symmetries of the Navier-Stokes
127 equations. A typical choice, used here, is the so-called D3Q19
128 basis in three dimensions where there is one velocity such that
129 $\mathbf{c} \Delta t$ is zero, along with six extending to the nearest
130 neighbour
131 lattice sites, and twelve extending to the next-nearest neighbour sites
132 ($\Delta t$ being the discrete time step). The fundamental object
133 in LB is then the distribution function $f_i (\mathbf{r};t)$ whose
134 moments are related to the local hydrodynamic quantities: the fluid
135 density, momentum, and stress. The time evolution of the distribution
136 function is described by a discrete Boltzmann equation
137 \begin{equation}
138 f_i(\mathbf{r} + \mathbf{c}_i \Delta t; t) - f_i(\mathbf{r}; t) 
139 = - {\cal L}_{ij} f_j(\mathbf{r};t).
140 \end{equation}
141 It is convenient to think of this in two stages. First, the right hand
142 side represents the action of a collision operator ${\cal L}_{ij}$,
143 which is local to each lattice site and relaxes the distribution toward
144 a local equilibrium at a rate ultimately related to the fluid viscosity.
145 Second, the left hand side represents a propagation step (sometimes referred
146 to as streaming step), in which each element $i$ of the distribution is
147 displaced $\mathbf{c}_i \Delta t$, i.e., one lattice spacing in the
148 appropriate direction per discrete time step. 
149
150 More specifically, we store a vector of 19 double precision floating
151 point values at each lattice site for the distribution function
152 $f_i(\mathbf{r};t)$.
153 The collision operation ${\cal L}_{ij}$, which is local at each lattice
154 site, may be thought of as follows. A matrix-vector multiplication
155 ${\cal M}_{ij}f_j$ is used to transform the distributions into the
156 hydrodynamic quantities, where ${\cal M}_{ij}$ is a constant 19x19
157 matrix related to the choice of
158 $\mathbf{c}_i$. The non-conserved hydrodynamic quantities are then
159 relaxed toward their (known) equilibrium values, and are transformed
160 back to new post-collision distributions via the inverse transformation
161 ${\cal M}^{-1}_{ij}$. This gives rise to the need for a minimum of 2x19$^2$
162 floating point multiplications per lattice site. (Additional operations are
163 required to implement, for example, the force $\mathbf{f}(\mathbf{r})$.)
164 In contrast, the
165 propagation stage consists solely of moving the distribution values
166 between lattice sites, and involves no floating point operations.
167
168 In the CPU version, the \textit{Ludwig} implementation stores one time
169 level of distribution values $f_i(\mathbf{r}; t)$. This distribution
170 is stored as a flat array of C data type \texttt{double}, and laid out
171 so that all elements of the velocity are contiguous at a given site
172 (often referred to as ``array-of-structures'' order). This is
173 appropriate for sums over the distribution required locally at the
174 collision stage as illustrated schematically in
175 Listing~\ref{ch14:listing1}: the fact that consecutive loads are from
176 consecutive memory addresses allows the prefetcher to engage fully.
177 (The temporary scalar \texttt{a\_tmp} allows caching of the
178 intermediate accumulated value in the innermost loop.)  A variety of
179 standard sequential optimisations are relevant for the collision stage
180 (loop unrolling, inclusion of SIMD operations, and so on
181 \cite{wellein2006}).  For example, the collision stage in
182 \textit{Ludwig} includes explicit SIMD code, which is useful if the
183 compiler on a given platform cannot identify it.  The propagation
184 stage is separate, and is organised as a ``pull'' (again, various
185 optimisation have been considered, e.g.,
186 \cite{pohl2003,mattila2007,wittmann2012}).  No further optimisation is
187 done here beyond ensuring that the ordering of the discrete velocities
188 allows memory access to be as efficient as possible. While these
189 optimisations are important, it should be remembered that for some
190 complex fluid problems, the hydrodynamics embodied in the LB
191 calculation is a relatively small part of the total computational cost
192 (at the 10\%-level in some cases).  This means optimisation effort may
193 be better concentrated elsewhere.
194
195 \begin{lstlisting}[float, label=ch14:listing1,
196 caption = Collision schematic for CPU.]
197 /* loop over lattice sites */
198 for (is = 0; is < nsites; is++) {
199   ...
200   /* load distribution from ``array-of-structures'' */
201   for (i = 0; i < 19; i++)    
202     f[i] = f_aos[19*is + i]
203   ...
204   /* perform matrix-vector multiplication */  
205   for (i = 0; i < 19; i++) {    
206     a_tmp = 0.0;    
207     for (j = 0; j < 19; j++) {      
208       a_tmp += f[j]*M[i][j];   
209     }
210     a[i] = a_tmp;
211   }
212   ...
213 }
214 \end{lstlisting}
215
216
217 \begin{figure}[!t]
218 \centering
219 \includegraphics[width=12cm]{Chapters/chapter14/figures/decomphalo}
220 \caption[The lattice is decomposed between MPI tasks.]{Left: the lattice is decomposed between MPI tasks. For
221   clarity we show a 2D decomposition of a 3D lattice, but in practice
222   we decompose in all 3 dimensions. Halo cells are added to each
223   sub-domain (as shown on the upper right for a single slice) which store
224   data retrieved from remote neighbours in the halo exchange. Lower
225   right: the D3Q19 velocity set resident on a lattice site;
226   highlighted are the 5 ``outgoing'' elements to be transferred in a
227   specific direction.}
228 \label{ch14:fig:decomphalo}
229 \end{figure}
230
231
232 The regular 3D decomposition is illustrated in Fig.~\ref{ch14:fig:decomphalo}.
233 Each local sub-domain is surrounded by a halo, or ghost, region of width one
234 lattice site. While the collision is local, elements of the distribution
235 must be exchanged at the edges of the domains to facilitate the propagation.
236 To achieve the full 3D halo exchange, the standard approach of shifting the
237 relevant data in each co-ordinate direction in turn is adopted. This
238 requires appropriate synchronisation, i.e., a receive in the the first
239 co-ordinate direction must be complete before a send in the second direction
240 involving relevant data can take place, and so on. We note that only
241 ``outgoing'' elements of the distribution need to be sent at each edge.
242 For the D3Q19 model, this reduces the volume of data traffic from 19 to
243 5 of the $f_i(\mathbf{r};t)$ per lattice site at each edge. In the CPU
244 version, the necessary transfers are implemented in place using
245 a vector of appropriately strided MPI datatypes for each direction.
246
247
248 \section{Single GPU Implementation}\label{ch14:sec:singlegpu}
249
250
251 In this section we describe the steps taken to enable \textit{Ludwig}
252 for the GPU. There are a number of crucial issues: first, the
253 minimisation of data traffic between host and device; second, the
254 optimal mapping of available parallelism onto the architecture and
255 third, the issue of memory coalescing. We discuss each of these in
256 turn.
257
258 While the most important section of the LB in terms of
259 floating-point performance is the collision stage, this cannot be the
260 only consideration for a GPU implementation. It is essential to
261 offload all computational activity which involves the main data
262 structures (such as the distribution) to the GPU. This includes
263 kernels with relatively low computational demand, such as the
264 propagation stage. All relevant data then remain resident on the GPU,
265 to avoid expensive host-device data transfer at each iteration of
266 the algorithm. Such transfers would negate any benefit of GPU
267 acceleration.  We note that for a complex fluid code, this requirement
268 can extend to a considerable number of kernels, although we limit the
269 discussion to collision and propagation for brevity.
270
271 To achieve optimal performance, it is vital to exploit fully the
272 parallelism inherent in the GPU architecture, particularly for
273 those matrix-vector operations within the collision kernel.
274 The GPU architecture features a hierarchy of parallelism. At the
275 lowest level, groups of 32 threads (warps) operate in
276 lock-step on different data elements: this is SIMD style vector-level
277 parallelism. Multiple warps are combined into a thread block (in which
278 communication and synchronisation are possible), and multiple blocks can
279 run concurrently across the streaming multiprocessors in the GPU
280 (with no communication or
281 synchronisation possible across blocks).  To decompose on the GPU, we
282 must choose which part of the collision to assign to which level of
283 parallelism.
284
285 While there exists parallelism within the matrix-vector operation, the
286 length of each vector (here, 19) is smaller than the warp size and typical
287 thread block sizes. So we simply decompose the loop over lattice sites
288 to all levels of parallelism, i.e., we use a separate CUDA thread for
289 every lattice site, and each thread performs the full matrix-vector
290 operation. We find that a block size of 256 performs well on current
291 devices: we therefore decompose
292 the lattice into groups of 256 sites, and assign each group to a block
293 of CUDA threads. As the matrix ${\cal M}_{ij}$ is constant, it is
294 assigned to the fast {\it constant} on-chip device memory.
295
296 For the propagation stage, the GPU implementation adds a second time
297 level of distribution values. The data-dependencies inherent in the
298 propagation mean that the in-place propagation of the CPU version
299 cannot be parallelised effectively without the additional time level.
300 As both time levels may remain resident on the GPU, this is not a
301 significant overhead.
302
303 An architectural
304 constraint of GPUs means that optimal global memory bandwidth
305 is only achieved when data are structured such that threads within a
306 {\it half-warp} (a group of 16 threads) load data from the same memory
307 segment in a single transaction: this is memory coalescing. It can be
308 seen that the array-of-structures ordering used for the distribution
309 in the CPU code would not be suitable for coalescing; in fact, it would
310 result in serialised memory accesses and relative poor performance.
311 To meet the coalescing criteria and allow consecutive threads to read
312 consecutive memory addresses on the GPU, we transpose the layout of the
313 distribution so that, for each velocity component, consecutive sites
314 are contiguous in memory (``structure-of-arrays'' order). A schematic of
315 the GPU collision code is given in Listing~\ref{ch14:listing2}.
316
317 \begin{lstlisting}[float, label=ch14:listing2,
318 caption = Collision schematic for GPU.]
319 /* compute current site index 'is' from CUDA thread and block */
320 /* indices and load distribution from "structure-of-arrays" */
321
322 for (i = 0; i < 19; i++)    
323   f[i] = f_soa[nsites*i + is]
324
325 /* perform matrix-vector multiplication as before */
326 ...
327 \end{lstlisting}
328
329
330 \textit{Ludwig} was modified to allow a choice of distribution data layout
331 at compilation time depending on the target architecture: CPU or GPU. We
332 defer some further comments on software engineering aspects of the code to
333 the summary.
334
335
336 \section{Multiple GPU Implementation}\label{ch14:sec:parallelgpu}
337
338 To execute on multiple GPUs, we use the same domain decomposition
339 and message passing framework as the CPU version. Within each
340 sub-domain (allocated to one MPI task) the GPU implementation
341 proceeds as described in the previous section. The only additional
342 complication is that halo transfers between GPUs must be staged
343 through the host (in future, direct GPU to GPU data transfers via
344 MPI may be possible, obviating the need for these steps). This
345 means host MPI sends must be preceded by appropriate device to host
346 transfers and host MPI receives must be followed by corresponding host
347 to device transfers.
348
349 %To execute on multiple GPUs in parallel we decompose the problem using
350 %the existing high-level parallelisaton framework: each MPI task acts
351 %as a host to a separate GPU, with each GPU kernel operating on the
352 %subset of the lattice volume corresponding to the partition assigned
353 %to that task.  As described in Section \ref{ch14:sec:background}, halo
354 %data exchanges are required at each timestep.  Significant
355 %developments are made for the GPU adaptation of this communication
356 %phase to achieve good inter-GPU communication performance and allow
357 %scaling to many GPUs.
358
359 %The CPU code uses strided MPI datatypes to define the six
360 %planes of lattice data to be sent or received, and performs the
361 %communications {\it in-place}, i.e.  there is no explicit buffering of
362 %data in the application.  For the GPU adaptation, the halo planes must
363 %be exchanged between GPUs, on which MPI functionality is not
364 %available, so transfers must be staged through the host CPUs. Buffer
365 %packing/unpacking of the halo planes is explicitly performed using
366 %CUDA kernels, and CUDA memory copy calls are used to transfer data
367 %from a device to its host (using pinned host memory) through the PCI-e
368 %bus (and vice versa). MPI calls are used to transfer the buffers
369 %between hosts. The CPU version of Ludwig has a mechanism, using MPI built-in
370 %data types, to reduce the amount of data communicated by around a
371 %factor of four by only sending those elements of the distribution
372 %propagating outward from a local domain. For the GPU adaptation, this
373 %filtering of data is explicitly performed (again since MPI
374 %functionality is not available on the GPU) in the buffer
375 %packing/unpacking kernels.  Special care had to be taken for those
376 %lattice sites on the corners of the halo planes, which had to be sent
377 %in more than one direction (since the propagation includes accesses to
378 %diagonal neighbours).
379
380 In practice, this data movement requires additional GPU kernels to
381 pack and unpack the relevant data before and after corresponding MPI
382 calls. However, the standard shift algorithm, in which each co-ordinate
383 direction is treated in turn, does provide some scope for the
384 overlapping of different operations.
385 For example, after the data for the first co-ordinate direction have been
386 retrieved by the host, these can be exchanged using MPI between
387 hosts at the same time as kernels for packing and retrieving of
388 data for the second co-ordinate direction are
389 executed. This
390 overlapping must respect the synchronisation required to ensure
391 that data values at the corners of the sub-domain are transferred
392 correctly.
393 We use a separate CUDA stream for each co-ordinate direction:
394 this allows some of the host-device communication time to be
395 effectively ``hidden'' behind the host-host MPI communication,
396 resulting in an overall speedup.
397 The improvement is more pronounced for the smaller local lattice size,
398 perhaps because of less CPU memory bandwidth contention. The
399 overlapping is then a particularly valuable aid to strong scaling,
400 where the local system size decreases as the number of GPUs increases.
401
402
403 %\section{Performance}\label{ch14:sec:performance}
404
405 To demonstrate the effectiveness of our approach, we compare the
406 performance of both CPU and GPU versions of \textit{Ludwig}. To
407 test the complex fluid nature of the code, the problem is
408 actually an immiscible fluid mixture which uses a second distribution
409 function to introduce a composition variable. The interested reader
410 is referred to \cite{ch14:stratford-jsp2005} for further details. The
411 largest total problem size used is $2548\times 1764\times 1568$.
412 The CPU system features a Cray XE6 architecture with 2 16-core AMD Opteron
413 CPUs per node, and with nodes interconnected using Cray Gemini technology.
414 For GPU results, a Cray XK6 system is used: this is very similar to the
415 XE6, but has one CPU per node replaced with an NVIDIA X2090 GPU. Each
416 node in the GPU system therefore features a single Opteron CPU acting
417 as a host to a single GPU. The inter-node interconnect architecture is
418 the same as for the Cray XE6. The GPU performance tests use a prototype
419 Cray XK6 system with 936 nodes (the largest available at the time of writing).
420 To provide a fair comparison, we compare scaling on a \textit{per node}
421 basis. That is, we compare 1 fully occupied 32-core CPU node
422 (running 32 MPI tasks) with 1 GPU node (host running 1 MPI task,
423 and 1 device). We believe this is representative of the true ``cost'' of
424 a simulation in terms of accounting budgets, or electricity.
425
426
427 %\begin{figure}[!t]
428 %\centering
429 %\includegraphics[width=10cm]{Chapters/chapter14/figures/length_scale}
430 %\caption{The dependence of the characteristic length scale of a binary
431 %  fluid mixture on the simulation timestep number. Superimposed are
432 %  three snapshots showing increased mixture separation with time:
433 %  these are obtained through the order parameter and each show one
434 %  eighth of the total simulation size, which is $1548\times 1764\times 1568$. }\label{ch14:fig:length_scale}
435 %\end{figure}  
436
437 \begin{figure}[!t]
438 \centering
439 \includegraphics[width=10cm]{Chapters/chapter14/figures/two_graphs_ud}
440 \caption[The weak (top) and strong (bottom) scaling of \textit{Ludwig}.]{The weak (top) and strong (bottom) scaling of \textit{Ludwig}.  Closed
441   shapes denote results using the CPU version run on the Cray
442   XE6 (using two 16-core AMD Interlagos CPUs per node), while open
443   shapes denote results using the GPU version on the Cray XK6 (using a
444   single NVIDIA X2090 GPU per node). Top: the benchmark time is shown
445   where the problem size per node is constant. Bottom: performance is
446   shown where, for each of the four problem sizes presented, the
447   results are scaled by the lattice volume, and all results are
448   normalized by the same arbitrary constant.  }
449 \label{ch14:fig:scaling}
450 \end{figure}
451
452
453 %The top of Figure \ref{ch14:fig:scaling} shows the benchmark time,
454 %where the problem size is increased with the number of nodes. This
455 %shows weak scaling: the time taken by a perfectly scaling code would
456 %remain constant. The figure plots the time against the number of {\it
457 %  nodes}: for the GPU version we utilize the one GPU per Cray XK6 node
458 %whilst for the CPU version we fully utilize two 16-core CPUs
459 %per Cray XE6 node, i.e. one GPU is compared with 32 CPU cores.  We use
460 %a single MPI task per Cray XK6 node to host the GPU, and 32 MPI tasks
461 %to fully utilize the CPUs in the Cray XE6 node.  Note that our CPU
462 %version is highly optimised: in particular it has been tuned for
463 %optimal utilisation of the SIMD vector units in each CPU core.
464
465 Figure \ref{ch14:fig:scaling} shows the results of both weak and
466 strong scaling tests (top and bottom panels, respectively). For
467 weak scaling, where the local sub-domain size is kept fixed
468 (here a relatively large 196$^3$ lattice), the time taken by
469 an ideal code would remain constant. It can be seen that while
470 scaling of the CPU version shows a pronounced upward slope, the
471 GPU version scales almost perfectly. The advantage of the GPU
472 version over the CPU version is the fact that the GPU version
473 has a factor of 32 fewer MPI tasks per node, so communications
474 require a significantly smaller number of larger data transfers.
475 The performance
476 advantage of the GPU version ranges from a factor of around 1.5 to
477 around 1.8. Careful study by other authors \cite{williams2011} have
478 found the absolute performance (in terms of floating point
479 operations per second, or floating point operations per Watt) to
480 be remarkably similar between architectures.
481
482 Perhaps of more interest is the strong scaling picture (lower
483 panel in Figure \ref{ch14:fig:scaling}) where the performance
484 as a function of the number of nodes is measured for fixed problem
485 size. We consider four different fixed problem sizes on both CPU
486 (up to 512 nodes shown) and GPU (up to 768 nodes). To allow comparison,
487 the results are scaled by total system size in each case. For strong
488 scaling, the disparity in the number of MPI tasks is clearly revealed
489 in the failure of the CPU version to provide any significant benefit
490 beyond a modest number of nodes as communication overheads dominate.
491 In contrast, the GPU version shows
492 reasonably robust scaling even for the smaller system sizes and good
493 scaling for the larger systems.
494
495 \section{Moving Solid Particles}\label{ch14:sec:particles}
496
497 \begin{figure}[t]
498 \centering
499 %\includegraphics[width=10cm]{Chapters/chapter14/figures/bbl}
500 \includegraphics[width=10cm]{Chapters/chapter14/figures/colloid_new}
501 \caption[A two-dimensional schematic picture of spherical particles on the lattice.]{
502 A two-dimensional schematic picture of spherical particles on the lattice.
503 Left: a particle is allowed
504 to move continuously across the lattice, and the position of the
505 surface defines fluid lattice sites (light blue) and solid lattice
506 sites (dark red). The discrete surface is defined by links
507 where propagation would intersect the surface (arrows). Note the
508 discrete shape of the two particles is different. Right: post-collision
509 distributions are reversed at the surface by the process of bounce-back
510 on links, which replaces the propagation.
511 %A 2D illustration of colloidal particles (grey circles)
512 %  interacting with the lattice, where each lattice point is
513 %  represented by a cross. Left: each particle spans multiple sites.
514 %  Right: the particle-facing distribution components are moved inside
515 %  the particle with the direction reversed, such that the ``bounce
516 %  back'' will be completed when the fluid propagates.
517 }
518 \label{ch14:fig:bbl}
519 \end{figure}
520
521
522 %\begin{figure}[t]
523 %\centering
524 %\includegraphics[width=6cm]{Chapters/chapter14/figures/particlemove}
525 %\caption{A 2D illustration of a colloidal particle moving across the
526 %    lattice. The old and new positions are represented by the open and
527 %    filled circles respectively.}
528 %\label{ch14:fig:particlemove}
529 %\end{figure}
530
531 % BEING NEW SOLID TEXT
532
533 The introduction of moving solid particles poses an additional hurdle
534 to efficient GPU implementation of an LB code such as \textit{Ludwig}.
535 In this section, we give a brief overview of the essential features
536 of the CPU implementation, and how the considerations raised in the
537 previous sections --- maximising parallelism and minimising both
538 host to device and GPU to GPU data movement --- shape the design decisions
539 for a GPU implementation. We restrict our discussion to a simple fluid
540 in this section; additional solid-fluid boundary conditions (e.g.,
541 wetting at a fluid-fluid-solid contact line) usually arise elsewhere
542 in the calculation and broadly independent of the hydrodynamic boundary
543 conditions which are described in what follows.
544
545 Moving solid particles (here, spheres) are defined by a centre position
546 which is allowed to move continuously across the space of the lattice,
547 and a fixed radius which is typically a few lattice spacings $\Delta r$.
548 The surface of the particle is defined by a series of \textit{links}
549 where a discrete velocity propagation $\mathbf{c}_i \Delta t$ would
550 intercept or cut the spherical shell (see Fig.~\ref{ch14:fig:bbl}).
551 Hydrodynamic boundary conditions are then implemented via the standard
552 approach of bounce-back on links \cite{ladd1994, nguyen2002}, where the
553 relevant post-collision distribution values are reversed at the
554 propagation stage with an appropriate correction to allow for the
555 solid body motion. The exchange of momentum at each link must then be
556 accumulated around the entire particle surface to provide the net
557 hydrodynamic force
558 and torque on the sphere. The particle motion can then be updated in a
559 molecular dynamics-like step.
560
561 For the CPU implementation, a number of additional MPI communications
562 are required: (1) to exchange the centre position, radius, etc of each
563 particle as it moves and (2), to allow the accumulation of the force
564 and torque for each particle (the links of which may be distributed
565 between up to 8 MPI tasks in three dimensions). Appropriate marshaling
566 of these data can provide an effective parallelisation for relatively
567 dense particle suspensions of up to  40\% solid volume fraction
568 \cite{stratford2008}. As a final consideration, fluid distributions
569 must be removed and replaced consistently as a given particle moves
570 across the lattice and changes its discrete shape.
571
572 With these features in mind, we can identify a number of competing
573 concerns which are relevant to a GPU implementation:
574 \begin{enumerate}
575 \item
576 Minimisation of host-device data transfer would argue for moving the
577 entire particle code to the GPU. However, the code in question involves
578 largely conditional logic (e.g., identifying cut surface links) and
579 irregular memory accesses (e.g., access to distribution elements around
580 a spherical particle). These operations seem poorly suited to effective
581 parallelisation on the GPU. As an additional complication, the sums
582 required over the particle surface would involve potentially tricky
583 and inefficient reductions in GPU memory.
584 \item
585 The alternative is to retain the relevant code on the CPU. While the
586 transfer of the entire distribution $f_i(\mathbf{r};t)$ between host
587 and device at each time step is unconscionable owing to PCIe bus bandwidth
588 considerations, the transfer of only relevant distribution information
589 to allow bounce-back on links is possible. At modest solid volumes
590 only a very small fraction of the distribution data is
591 involved in bounce-back (e.g., a 2\% solid volume fraction of particles
592 radius 2.3$\Delta r$ would involve approximately 1\% of the distribution
593 data). This option also has the advantage that no further host-device
594 data transfers are necessary to allow the MPI exchanges required for
595 particle information.
596 \end{enumerate}
597
598
599 We have implemented the second option as follows. For each sub-domain,
600 a list of boundary-cutting links is assembled on the CPU which includes
601 the identity of the relevant element of the distribution. This list,
602 together with the particle information required to compute the correct
603 bounce-back term, are transferred to the GPU. The updates to the relevant
604 elements of the distribution can then take place on the GPU. The
605 corresponding information to compute the update of the particle dynamics
606 is returned
607 to the CPU, where the reduction over the surface links is computed.
608 The change of particle shape may be dealt with in a similar manner:
609 the relatively small number of updates required at any one time step
610 (or however frequently the particle position is updated) can be
611 marshaled to the GPU as necessary. This preliminary implementation
612 is found to be effective on problems involving up to 4\%
613 solid volume fraction.
614
615 We note that the CPU version actually avoids the collision calculation
616 at solid lattice points by consulting a look-up table of solid/fluid
617 status. On the GPU, it is perhaps preferable to perform the collision
618 stage everywhere instead of moving the look-up table to the GPU and
619 introducing the associated logic.
620 Ultimately, the GPU might favour other boundary methods which treat solid and
621 fluid on a somewhat more equal basis, for example, the immersed boundary
622 method \cite{ch14:immersed1,ch14:immersed2,ch14:immersed-lb} or smoothed profile method
623 \cite{ch14:spm}.
624 However, the approach adopted here  allows us to exploit
625 the GPU for the intensive fluid simulation whilst maintaining the complex
626 code required for particles on the CPU. Overheads of CPU-GPU transfer are
627 minimised by transferring only those data relevant to the hydrodynamic
628 interaction implemented via bounce-back on links.
629
630 % END NEW SOLID TEXT
631
632 %It is of interest, in many situations, to include colloidal particles
633 %in the simulation **more from Kevin***. These are by represented by
634 %moving spheres that interact with the fluid through transfer of
635 %momenta: fluid coming into contact with a particle will bounce off it,
636 %giving the particle a kick in the process. As illustrated on the left
637 %of Figure \ref{ch14:fig:bbl} (which shows 2 dimensions only for
638 %clarity - in practice, the particles will be represented by spheres on
639 %a 3D lattice, and will be much larger relative to the lattice
640 %spacing), typically each particle spans multiple lattice sites, and
641 %therefore ``intercepts'' multiple inter-site links. Ludwig stores
642 %particle information using nested linked lists: a list of particles,
643 %each with a list of all the links intercepted by that particle (plus
644 %other quantities). The fluid-particle interaction proceeds using the
645 %so-called {\it bounce back on links} procedure during each timestep. As
646 %illustrated in the right of Figure \ref{ch14:fig:bbl}, for each of the
647 %intercepting links, those velocity components of the distribution that
648 %face inwards to each particle are moved from the site
649 %outside the particle to the site inside the particle, and
650 %reversed in direction. This is done before the propagation stage,
651 %which then propagates these same velocity components back out of the
652 %particles: the velocity bounces back from the particles. The
653 %momenta transfer from fluid to particles is also determined
654 %from the distribution values.
655
656 %A simplified schematic of the implementation on the CPU is as follows,
657 %noting that multiplicative coefficients are required:
658 %{\footnotesize
659 %\begin{verbatim}
660 %For each particle:
661 %  For each link:
662 %    Calculate coefficient
663 %    Bounce back fluid using coefficient
664 %    Update particle momentum
665 %\end{verbatim}
666 %}
667 %This process is relatively inexpensive on the CPU, since the total
668 %number of particles (and intercepted links) is always relatively
669 %small, but it does require access to distribution data which we want
670 %to keep resident on the GPU throughout the simulation. The overhead of
671 %transferring the full distribution to the CPU and back every timestep
672 %would be too high. But on the other hand, the full codebase required
673 %to manage particles is quite complex and comprehensive: completely
674 %porting it to the GPU, such that the particles effectively also remain
675 %resident on the GPU, would be a large effort and would cause a major
676 %diversion of CPU and GPU codebases. Further complications would arise
677 %when running on multiple GPUs due to the fact that particles can move
678 %between parallel subdomains. Our solution, which minimises overhead,
679 %is to keep the particles resident on CPU, but offload only their
680 %interaction with the fluid to the GPU, as we describe below.
681
682 %On the CPU, the code in the above listing can be restructured into
683 %three distinct stages as (introducing arrays to temporrily store
684 %indices and data):
685 %{\footnotesize
686 %\begin{verbatim}
687 %1) For each particle, for each link:
688 %     Store site and velocity indices associated with link
689 %     Calculate and store coefficient
690 %2) For each particle, for each link:
691 %     Update velocity data using stored values
692 %     Calculate and store particle momenta updates
693 %3) For each particle, for each link:
694 %     Update particle momentum using stored values
695 %\end{verbatim}
696 %}
697 %Stage 2 is only one that that accesses fluid data: this can therefore
698 %be moved to the GPU, while stages 1 and 3 remain on the CPU. Stage 2
699 %therefore becomes, for the GPU implementation
700 %{\footnotesize
701 %\begin{verbatim}
702 %Transfer coefficient and link index arrays to GPU
703 %Run CUDA kernel:
704 %  Update fluid data using coefficient and link index arrays
705 %  Calculate and store particle momenta updates from fluid data
706 %Transfer particle momenta updates array back to CPU
707 %\end{verbatim}
708 %}
709 %Since the total number of links involves is relatively small, these
710 %partial data transfers have minimal overhead.  A complication arises
711 %due to the fact that the particles move through the lattice, albeit
712 %relatively slowly, and therefore the list of links that they intercept
713 %occasionally changes.  When a
714 %particle moves off a lattice site, the fluid on that site must be
715 %reconstructed. Similarly, the fluid on the newly obstructed site must
716 %be removed. For the same reasons given above, we want to avoid moving
717 %all the code dealing with this complication to the GPU, whilst
718 %minimising overheads. Since, on any one timestep, the number of
719 %lattice sites affected is relatively low, we implement functionality
720 %to perform partial data transfers of the distribution. Only those
721 %sites affected are packed into a buffer on the GPU, transferred to the
722 %CPU and unpacked into the CPU version of the distribution. Then, the
723 %existing code can be used to update those affected sites, before the
724 %reverse partial data transfer is performed to update the GPU version
725 %of data.
726
727 It is perhaps interesting at this point to make some more general
728 observations on the software engineering challenge presented when
729 extending an existing CPU code to the GPU. The already complex
730 task of maintaining the code in a portable fashion while also
731 maintaining performance is currently formidable. To help this process,
732 we have followed a number of basic principles. First,
733 in order to port to the GPU in an incremental fashion,
734 we have tried to maintain the modular structure of the CPU where
735 possible. For each data structure, such as the distribution, a separate
736 analogue is maintained in both the CPU and GPU memory spaces. However,
737 the GPU copy does not include the complete CPU structure: in
738 particular, non-intrinsic datatypes such as MPI datatypes are not
739 required on the GPU. Functions to marshal data between CPU and GPU
740 are provided for each data structure, abstracting the underlying
741 CUDA implementation. (This reasonably lightweight abstraction layer
742 could also allow an OpenCL implementation to be developed.) 
743 This makes it easy to switch between the CPU and GPU for different
744 components in the code, which is useful in development
745 and testing. GPU functionality can be added incrementally while
746 retaining a code that runs correctly (albeit slowly due to data
747 transfer overheads).  Once all relevant components are moved to
748 the GPU, it becomes possible to remove such data transfers and
749 keep the entire problem resident on the device.
750
751 %To ensure that \textit{Ludwig} remains suitable for CPU-based systems,
752 %we augment rather than modify the original code. All new GPU-related
753 %functionality are implemented in an additive manner, mirroring the
754 %modular structure of the original code. The new GPU modules have
755 %interfaces similar to the original CPU functions, and the ability to
756 %switch between versions is achieved at compile-time via C
757 %pre-processing directives.  All GPU compute kernels are implemented using
758 %CUDA.  Wrapper routines are developed to specify the
759 %decomposition, invoke the CUDA kernels and perform the necessary data
760 %management operations: the latter are facilitated through newly
761 %developed modules for creation and destruction of device memory
762 %structures, the copying of data between host and device, and where
763 %necessary the packing and buffering of data.
764
765
766
767
768 \section{Summary}
769 \label{ch14:sec:summary}
770
771 We have described the steps take to implement, on both single and
772 multiple GPUs, the \textit{Ludwig} code which was originally
773 designed for complex fluid problems on a conventional CPU
774 architecture. We have added the necessary functionality using
775 NVIDIA CUDA and discussed the important changes to the main
776 data structures. By retaining domain decomposition and message
777 passing via MPI, we have demonstrated it is possible to scale
778 complex fluid problems to large numbers of GPUs in parallel.
779 By following the key design criteria of maximising parallelism
780 and minimising host-device data transfers, we have confirmed
781 the mixed MPI-GPU approach is viable for scientific applications.
782 For the more intricate problem of moving solid particles, we find
783 it is possible to retain the more serial elements related to
784 particle link operations on the CPU, while offloading only the
785 parallel lattice-based operations involving the LB distribution
786 to the GPU. Again, this minimises host-device movement of data.
787
788 From the software engineering viewpoint, some duplication of code
789 to allow efficient implementation on both host and device is
790 currently required. This issue might be addressed by approaches
791 such as automatic kernel generation, but may also be addressed
792 naturally in time as GPU and CPU hardware converge. Portable
793 abstractions and APIs, perhaps based on approaches such as OpenCL,
794 will also facilitate the development and maintenance of portable
795 codes which also exhibit portable performance (perhaps in conjunction
796 with automatic tuning approaches).
797
798 So, while the challenges in designing portable and efficient scientific
799 applications remain very real, this work provides some hope the large
800 clusters of GPU machines can be used effectively for a wide range of
801 complex fluid problems.
802
803
804 %The \textit{Ludwig} LB application, which specializes
805 %in complex fluid problems, has undergone the developments required to
806 %use large-scale parallel GPU accelerated supercomputers effectively.
807 %The new functionality augments the original code, so that
808 %\textit{Ludwig} can run on either CPU-based or GPU-accelerated systems. 
809 %Using the NVIDIA CUDA programming language, all the computational
810 %kernels were offloaded to the GPU. This included not only those
811 %responsible for the majority of the compute time, but any that
812 %accessed the relevant data structures. This allows data to be kept
813 %resident on the GPU and avoids expensive data transfers. We described
814 %steps taken to optimise the performance on the GPU architecture by
815 %reducing off-chip memory accesses and restructuring the data layout
816 %in memory to ensure the available memory bandwidth was exploited fully.
817
818 %A new halo-exchange communication phase for the code was developed to
819 %allow efficient parallel scaling to many GPUs. The CPU version
820 %relies on MPI datatype functionality for CPU to CPU communication; we
821 %have explicitly written buffer packing/unpacking and transfer
822 %operations to for GPU to GPU data exchange, staged through the host
823 %CPUs. This includes the filtering of velocity components to only
824 %transfer those required in a specific direction, hence reducing the
825 %overall volume of data transferred. We used CUDA stream functionality
826 %to overlap separate stages within the communication phase, and reduce
827 %the overall communication time. The effect was measured to be more
828 %profound for smaller local system sizes, i.e. it is especially useful
829 %in aiding strong scaling.
830
831 %We described work to enable colloidal particles in the simulation with
832 %minimal overhead. We implemented these in such a way that we avoid a
833 %major diversion of the CPU and GPU codebases, whilst minimising data
834 %transfers between the CPU and GPU at each timestep. We keep the
835 %majority of the (relatively inexpensive) particle related code on the
836 %CPU, while offloading only those parts responsible for the interaction
837 %with the fluid to the GPU (where the fluid data resides).
838
839 %Our resulting package is able to exploit the largest of GPU
840 %accelerated architectures to address a wide range of complex problems.
841
842
843
844 % An example of a floating figure using the graphicx package.
845 % Note that \label must occur AFTER (or within) \caption.
846 % For figures, \caption should occur after the \includegraphics.
847 % Note that IEEEtran v1.7 and later has special internal code that
848 % is designed to preserve the operation of \label within \caption
849 % even when the captionsoff option is in effect. However, because
850 % of issues like this, it may be the safest practice to put all your
851 % \label just after \caption rather than within \caption{}.
852 %
853 % Reminder: the "draftcls" or "draftclsnofoot", not "draft", class
854 % option should be used if it is desired that the figures are to be
855 % displayed while in draft mode.
856 %
857 %\begin{figure}[!t]
858 %\centering
859 %\includegraphics[width=2.5in]{myfigure}
860 % where an .eps filename suffix will be assumed under latex, 
861 % and a .pdf suffix will be assumed for pdflatex; or what has been declared
862 % via \DeclareGraphicsExtensions.
863 %\caption{Simulation Results}
864 %\label{fig_sim}
865 %\end{figure}
866
867 % Note that IEEE typically puts floats only at the top, even when this
868 % results in a large percentage of a column being occupied by floats.
869
870
871 % An example of a double column floating figure using two subfigures.
872 % (The subfig.sty package must be loaded for this to work.)
873 % The subfigure \label commands are set within each subfloat command, the
874 % \label for the overall figure must come after \caption.
875 % \hfil must be used as a separator to get equal spacing.
876 % The subfigure.sty package works much the same way, except \subfigure is
877 % used instead of \subfloat.
878 %
879 %\begin{figure*}[!t]
880 %\centerline{\subfloat[Case I]\includegraphics[width=2.5in]{subfigcase1}%
881 %\label{fig_first_case}}
882 %\hfil
883 %\subfloat[Case II]{\includegraphics[width=2.5in]{subfigcase2}%
884 %\label{fig_second_case}}}
885 %\caption{Simulation results}
886 %\label{fig_sim}
887 %\end{figure*}
888 %
889 % Note that often IEEE papers with subfigures do not employ subfigure
890 % captions (using the optional argument to \subfloat), but instead will
891 % reference/describe all of them (a), (b), etc., within the main caption.
892
893
894 % An example of a floating table. Note that, for IEEE style tables, the 
895 % \caption command should come BEFORE the table. Table text will default to
896 % \footnotesize as IEEE normally uses this smaller font for tables.
897 % The \label must come after \caption as always.
898 %
899 %\begin{table}[!t]
900 %% increase table row spacing, adjust to taste
901 %\renewcommand{\arraystretch}{1.3}
902 % if using array.sty, it might be a good idea to tweak the value of
903 % \extrarowheight as needed to properly center the text within the cells
904 %\caption{An Example of a Table}
905 %\label{table_example}
906 %\centering
907 %% Some packages, such as MDW tools, offer better commands for making tables
908 %% than the plain LaTeX2e tabular which is used here.
909 %\begin{tabular}{|c||c|}
910 %\hline
911 %One & Two\\
912 %\hline
913 %Three & Four\\
914 %\hline
915 %\end{tabular}
916 %\end{table}
917
918
919 % Note that IEEE does not put floats in the very first column - or typically
920 % anywhere on the first page for that matter. Also, in-text middle ("here")
921 % positioning is not used. Most IEEE journals/conferences use top floats
922 % exclusively. Note that, LaTeX2e, unlike IEEE journals/conferences, places
923 % footnotes above bottom floats. This can be corrected via the \fnbelowfloat
924 % command of the stfloats package.
925
926
927 % conference papers do not normally have an appendix
928
929
930 % use section* for acknowledgement
931 \section*{Acknowledgments}
932 AG was supported by the CRESTA project, which has received
933 funding from the European Community's Seventh Framework Programme
934 (ICT-2011.9.13) under Grant Agreement no. 287703. KS was supported
935 by UK EPSRC under grant EV/J007404/1.
936
937
938 % trigger a \newpage just before the given reference
939 % number - used to balance the columns on the last page
940 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
941 % the document is modified later
942 %\IEEEtriggeratref{8}
943 % The "triggered" command can be changed if desired:
944 %\IEEEtriggercmd{\enlargethispage{-5in}}
945
946 % references section
947
948 % can use a bibliography generated by BibTeX as a .bbl file
949 % BibTeX documentation can be easily obtained at:
950 % http://www.ctan.org/tex-archive/biblio/bibtex/contrib/doc/
951 % The IEEEtran BibTeX style support page is at:
952 % http://www.michaelshell.org/tex/ieeetran/bibtex/
953 %\bibliographystyle{IEEEtran}
954 % argument is your BibTeX string definitions and bibliography database(s)
955 %\bibliography{IEEEabrv,../bib/paper}
956 %
957 % <OR> manually copy in the resultant .bbl file
958 % set second argument of \begin to the number of references
959 % (used to reserve space for the reference number labels box)
960
961 \putbib[Chapters/chapter14/biblio14]
962 %\begin{thebibliography}{1}
963
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