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一台Windows Server 2022,上面装了两块AMD Radeon™ VII的显卡,操作系统的和显卡的版本都很新,导致出现了一些错误,不过最后还是成功安装上了。

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最近在使用NNFusion的时候发现Codegen出来的FP16的网络在V100上的性能打不过FP32(甚至要慢一倍以上),但是理论上FP16应该要比FP32有两倍的性能收益才对(V100 Cuda Core的half precision的最大吞吐量是single的两倍,在s9234的slides中看到直接使用half的情况下peak performance其实和single差不多,都是15Tops,但是Cuda Core提供了half2类型,可一次做两个half类型的运算,这是half在CUDA Core上的收益来源;V100卡上的Tensor Core只支持FP16,利用好Tensor Core可以获得非常强的加速,A100卡上的Tensor Core增加更多的精度支持)。

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A100 Tensor Float 32 性能实测

拿nvprof测试了一下发现主要的性能瓶颈是:half卷积算子的实现速度要比single慢一倍,而这部分运算又占了总体运行时间的绝大部分。

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刚开始碰到的问题是这样的:在Azure上开的一台HPC(4块 V100 16G)在运行了大概七八个小时之后,nvidia的显卡会挂掉,具体的表现为nvidia-smi会卡住十几分钟,之后输出No devices were found,但是执行lspci | grep -i nvidia还是可以看到四块显卡好好的挂在上面,这种情况应该直接reboot就可以修复,但是reboot了之后同样的程序运行一段时间之后显卡还是会掉。

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主要分为三个部分:

Architecture:加速器的体系根据其结构可分为三组,固定数据流的加速器(例如TPU、NVDLA、Eyeriss)、灵活数据流的加速器(例如Eyeriss v2、Maeri、Sigma)和chiplet多核加速器(例如SIMBA)。与包括CPU和GPU在内的传统体系结构不同,空间体系结构使用ScratchPad作为片上buffer。和传统的CPU体系结构里的Cache不一样,ScratchPad是可编程的,数据从DDR往ScracthPad上load的过程是由用户生成指令来操作,因为要取的数据地址相对来讲固定,所以理论上存在一个最有的数据流动序列,详见HPCA19上的《 Communication Lower Bound in Convolution Accelerators 》,而Cache是根据局部性原理由硬件完成这个操作,用户不可控。

Cost Models:也是因为Cache的原因,对加速器运行效率的建模不一定需要使用cycle级别的模拟器就可以。现在开源的就存在着不同的cost模型,用于以不同程度的保真度,为不同类型的加速器建模。例如,SCALE-sim来仿真脉动阵列(TPU), MAESTRO仿真的阵列具有可配置的宽高比,Timeloop在模拟的时候可以考虑到复杂的内存层次结构建模,Tetris可以建模3D阵列。

Mappers:使用Cost Models,可以用目标硬件上的特定的map来估计程序的性能。然而,要为给定的工作负载和体系结构找到最佳映射并不简单,原因有两个。首先,映射的空间可能非常大,这使得穷举搜索变得不可行。这导致了几种映射器的开发,它们通过修剪搜索空间或用有效的方法搜索来减少搜索时间。Marvel提出了一种分离芯片外map空间和片上map空间的方法,timeloop利用了基于采样的搜索方法,Interstella使用了基于启发式的搜索方法,Mind Mapping开发了一个子模型来基于梯度搜索,而Gamma使用了基于遗传算法的方法通过利用先前的结果来有效地推进。其次,定义Map的搜索空间本身通常很复杂,因为不同的操作和不同的硬件加速器可能会对可行的映射施加约束。这就是为什么现在的Mapper在今天高度依赖于特定的成本模型,从而限制了可扩展性。

A100卡(Ampere GPU Arch)上的Sparse Tensor Core的稀疏加速用的是类似FPGA19上的这篇《Efficient and Effective Sparse LSTM on FPGA with Bank-Balanced Sparsity》的Bank Sparsity的方法,硬件实现比较简单,而且有利于负载均衡。

简单来讲,在Sparse Tensor Core上,对于W*A,把大矩阵W拆分成很多个1*4的小块,然后强制让稀疏度为50%,即每4个元素,去除掉其中绝对值最小的两个值,这种稀疏压缩方式成为(2:4 bank sarsity),对原本的tensor core也只需要做很小的修改,像下图中加一个mux四个有值的下标来选出与之匹配的矩阵A中的元素进行运算。

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