GPU 优化技术-OpenCL 介绍

zt3ff3n · 发表于 2021-12-20 19:41

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<hr/>一、概述

如今的时代是一个数据爆炸的时代，如何处理海量的数据是各行各业不得不面临的一个重要问题。随着摩尔定律的失效，支持大量并行计算的异构处理器开始大放异彩。其中，无论是在 PC 端还是移动端，GPU 无疑是其中最璀璨的明星。
接下来，我们首先会对 GPU 的发展历史和硬件架构（移动端）进行简单地介绍，随后对 OpenCL 编程框架进行详细的介绍。
二、从 GPU 到 GPGPU

2.1 GPU 简介

GPU 简介

GPU (Graphics Processing Unit) 图形处理器，又称为显示核心、视觉处理器、显示芯片，是一种专门在个人电脑、工作站、游戏机和移动设备(平板电脑、手机)上做图像和图形相关相关运算工作的微处理器。
GPU 通常可以分为如下几类：

独立 GPU	封装在独立的电路板，专用的显存（显示储存器）	性能高，功耗大
集成 GPU	内嵌到主板上，共享系统内存	性能中等，功耗中等
移动端 GPU	嵌在 SoC（System On Chip）中，共享系统内存	性能低，功耗低

2.2 从 GPU 到 GPGPU

在 GPU 发展早期，由于其主要面向图形绘制等操作，功能相对来说比较单一。后来，NVIDIA公司发展了一种可编程的着色器，每个像素经过一段“简短”的程序计算，然后在将结果投到屏幕上。2007年，NVIDIA更进一步地提出了CUDA（Compute Unified Device Architecture，统一计算架构）用于通用计算领域。
此后，专注于通用并行计算能力的 GPU 也有了新的名称：GPGPU（General-Purpose computing on Graphics Processing Units）。
近年来，AI、区块链等技术的蓬勃发展对算力的需求愈发强烈，GPU 也受到了前所未有的关注。在 PC 端，NVIDIA 和 AMD 瓜分了几乎整个市场。而在移动端，则主要以高通的 Adreno GPU和 ARM 的 Mali GPU 占主导。
三、GPU 硬件介绍

3.1 GPU与CPU的比较

GPU 与 CPU 的硬件比较

CPU	GPU
数据吞吐量	小	大
计算核心数量	少	非常多
控制单元	可以进行复杂的逻辑判断	简单的逻辑判断
算术逻辑单元	计算快，延迟低	计算较慢，延迟较高
缓存	大	小

从上面可以看出，与CPU相比，GPU更擅长处理逻辑判断较简单、数据量大的可并行计算任务。

3.2 Qualcomm Adreno GPU

3.2.1 Adreno GPU 简介
高通 Adreno GPU，其前身是 AMD 的移动 GPU Imageon 系列，在 2009 年被高通收购，并改名为 Adreno GPU。每一代的高通骁龙 SoC 也都无一例外地集成了 Adreno GPU。
下面是对部分 Adreno GPU 信息的整理：

Adreno GPU 信息列表

3.2.2 Adreno650的硬件架构介绍：

Adreno GPU架构示意图

在Adreno650 GPU中，主要包含了以下的部件：

Command Processor：指令处理器，接受与执行外部指令；
SP（Shader/Streaming Processor）x3：着色/流处理器, GPU的基本运算单；
L2 Cache：128KB, 进行读写的缓存；
Memory Manage Unit：内存管理单元 MMU。

视运算能力的不同，一个 GPU 中往往包含了数量不同的 SP。但是由于移动端的面积和功耗的限制，移动端 GPU 的 SP 数量一般相对较少。这也是移动端 GPU 的性能落后 PC 端 GPU 的一个重要原因。

SP 架构图

下面是 SP 的基本组成：

Instruction Cache	指令缓存
Scheduler	负责任务的调度
Local Buffer	本地内存，可编程，有时也可当作SP的缓存
GPRs	通用目的寄存器（General Purpose Registers），存储每个运算任务的变量状态
ALU	算术逻辑单元(Arithmetic logic unit)，加减等简单运算时被调用
SFU	特殊运算单元(Special Function Unit)，计算三角函数、开根号等复杂运算时被调用
Load/Store	数据载入/储存
Texture Pipe	用于纹理数据加载和缓存

一般来说，进行复杂运算（SFU）和数据的载入与储存（Load/Store）会消耗较多的时钟周期，而简单运算（ALU）速度则较快。通过合理的调度，SP可以尽可能地让每个运算资源都有相应的任务在运行，避免过多任务等待同一个运算资源，从而达到掩盖等待时间的目的。
除了基本的 Cache 之外，GPU 一般还带有专用的纹理处理单元，用来完成对于 2 维/ 3 维图像数据的访问加速以及提供一些如插值等操作的硬件加速。
3.3 ARM Mali GPU

3.3.1 Mali GPU简介：

Mali GPU的架构发展

Mali 是一款由 ARM Holdings 研发设计的 移动GPU系列。Mali GPUs 是由 Falanx Microsystems A/S 发展而来，其最初是挪威科技大学孵化的一个研究项目。2006年，Falanx Microsystems A/S 被 ARM Holdings 收购后改名为ARM Norway，并继续负责 ARM Mali GPU 系列的研发设计。
Mali 的架构一共经历了四个架构的更迭，分别为 Utgard、Midgard、Bifrost、Valhall。2021年，Valhall 架构已经更新到了第三代，以 Mali-G710、Mali-G510、Mali-G310 为代表。
下面我们列举一些具体的 Mali GPU 的信息：

Mali GPU 信息列表

3.3.2 Mali-G710的硬件架构介绍:

Mali-G710 示意图

Mali GPU 的基本处理单元为 Shader Core（类似于 Adreno GPU 中的 SP）。每个 Shader Core 中有自己的指令缓存、调度器、寄存器资源、缓存和运算单元。
但值得注意的是，Mali GPU 并没有像其他 GPU 一样内嵌到片上的 Local Memory 和 Private Memory，而是通过 Global Memory + Cache 的方法来代替。这意味着每当你使用 OpenCL 申请 Local Memory 或者 Private Memory 的时候，你实际上申请的是 Global Memory。将数据从 Global Memory 拷贝到 Local Memory 也并不会对性能有任何提高。
截止到 2021 年 12 月，基于 Valhall 架构的第三代 GPU Mali-G710 是性能最高的 Arm GPU。相较前一代，G710 在性能上和能效上均提升了 20%，且对于机器学习的性能也有 35% 的提升。可选核心数量为 7~16，L2 Cache 在 512KB 到 2MB 之间。
四、OpenCL 介绍

4.1 什么是OpenCL？

OpenCL(Open Computing Language, 开放设计语言) 是一个为异构平台（CPU/GPU/DSP/FPGA等等）编程设计的框架。OpenCL 由一门编写 kernel 的语言（基于C99）和一组用于定义和控制平台的 API 来组成，主要用于并行运算方面。

OpenCL - 异构计算框架

4.2 OpenCL的诞生与发展

由于各个硬件厂家在 GPU 硬件设计上存在着较大差别，为了降低跨平台的开发难度，人们迫切需要一套能够兼容各类硬件设备的计算框架。
OpenCL 最初由苹果公司开发，拥有其商标权。2008 年，苹果公司向 Khronos Group 提交了一份关于跨平台计算框架 (OpenCL) 的草案，随后与 AMD、IBM、Intel、和 NVIDIA 公司合作逐步完善，其接口大量借鉴了 CUDA。后续，OpenCL 的管理权移交给了非盈利组织 Khronos Group，且于2008年12月发布了 OpenCL 1.0。最新的OpenCL 3.0 于 2020 年 9 月发布。

OpenCL各版本的发布时间

为了更好地适用于不同处理器，OpenCL 抽象出了如下四大模型：

平台模型：对不同硬件及软件实现抽象，方便应用于不同设备；
存储模型：对硬件的各种存储器进行了抽象；
执行模型：程序是如何在硬件上执行的（任务划分 & 计算流程管理）；
编程模型：数据并行和任务并行。

我们接下来将对这四种模型进行详细讲解。
4.3 OpenCL的四大模型

4.3.1 平台模型

OpenCL 平台模型图示

在 OpenCL 中，我们首先需要一个主机处理器（Host），一般是 CPU。而其他的硬件处理器（多核CPU/GPU/DSP 等）被抽象成 OpenCL 设备（Device）。每个设备包含多个计算单元（Compute Unit），每个计算单元又包含多个处理单元（Processing Element）。
Device 对应我们上面提到的 Adreno GPU 和 Mali GPU，计算单元 CU 对应 Adreno GPU 中的 SP 和 Mali GPU 中的 Shader Core，而处理单元 PE 可以对应 SP 和 Shader Core 中的运算单元。
在执行中，主要的流程为 Host 端发送数据和任务给 Device 端，Device 端进行计算，最后在 Host 端进行同步。
4.3.2 存储器模型
OpenCL 异构平台由主机端和设备端构成，存储器区域包含主机与设备的存储。
在 OpenCL 中具体定义了下面几种不同的存储区域：

OpenCL 储存器模型示意图

主机存储（Host Memory）：主机可用的存储，通常对应主机 (Host) 端的内存，可以通过直接传输/共享内存的方式与设备端进行数据传输；
全局存储（Global Memory）：通常指显存，允许上下文中任何设备上工作组 (Work Group) 中的所有工作项 (Work Item) 读写；
常量存储（Constant Memory）：片上特殊内存，只读，在内核执行期间数据保持不变；
局部存储（Local Memory）：对整个工作组内部所有的工作项可见，用于同一工作组内部工作项之间的数据共享；
私有存储（Private Memory）：工作项的私有区域，对其它工作项不可见，在硬件实现上通常映射为寄存器。

在 OpenCL 中，全局存储器中的数据内容通过存储对象来表示（Memory Object），在 OpenCL 中较为常用的两个存储对象为：Buffer Objects 和 Image Objects

Buffer Object 与 Image Object

4.3.3 执行模型

OpenCL 执行模型图示

在理解 OpenCL 的执行模型时，我们需要知道如下几个概念：

Context（上下文）：每个device对应一个Context，Host端通过Context与Device端进行交互和管理；
Command Queue（命令队列）：Host 端对计算设备进行控制的通道，推送一系列的命令让Device端去执行，包括数据传输、执行计算任务等。一个命令队列只能管理一个设备，可以顺序执行也可以乱序执行；
Kernel Objects （内核对象）：OpenCL 计算的核心部分，表现为一段C风格的代码。在需要设备执行计算任务时，数据会被推送到Device端，然后 Device 端的多个计算单元会并发地执行内核程序，完成预定的计算过程；
Program Objects（程序对象）：内核对象的集合，在 OpenCL 中使用 cl_program 表示程序对象，可以使用源代码文本或者使用二进制数据来创建。

那么，如何更好地控制多核之间的并行计算呢？OpenCL 会对任务进行划分，可以分割成一维、二维和三维的任务网格，一般为二维。这里，我们以二维来举例：

OpenCL的任务划分网格

首先，需要用户自定义总的工作项网格 [G0 x G1] 作为Global Size；
然后，用户定义一个更小的网格 [L0 x L1] 作为Local Size（一般来说G0/G1是L0/L1的倍数）；
同一个Local Size中的运算任务会被打包给到一个Work Group中，其中的每个Work Item并发地执行。
这样，每个Work Item在Global Size中会有一个唯一的全局索引(Gx, Gy)；同时，也有一个对应的局部索引(Lx, Ly)。通过可以利用这些索引，可以让我们更加灵活地设计内核函数。

4.3.4 编程模型
OpenCL 定义了两种不同的编程模型：任务并行和数据并行。

数据并行模式中，划分计算数据，分配给不同的计算单元进行同时计算，适用于数据相互独立的计算任务。
任务并行是指，计算步骤的每一个步骤有前后依赖，这使得我们无法将计算任务并行执行。于是，我们只能对每一个步骤的数据进行并行，之后将整个流程进行异步/同步串行执行，为了协调整个流程的先后关系，OpenCL 提供了Event 机制用来进行流程同步控制。

五、总结

本文首先对 GPU 进行了概述，然后着重地对移动端的 GPU 进行了分析，随后我们又详细地介绍了 OpenCL 的背景知识和 OpenCL 的四大编程模型。希望能帮助大家更好地进行移动端高性能代码的开发。
参考资料

https://en.wikipedia.org/wiki/Adreno
https://en.wikipedia.org/wiki/Mali_(GPU)
https://developer.arm.com/ip-products/graphics-and-multimedia/mali-gpus
https://www.qualcomm.com/products/features/adreno
https://developer.arm.com/documentation/100614/0314/OpenCL-concepts
https://www.khronos.org/opencl/

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