教程｜在Julia编程中实现GPU加速

选自nextjournal，作者：Simon Danisch，机器之心编译，参与：高璇、刘晓坤。

GPU 的并行线程可以大幅提升速度，但也使得代码编写变得更复杂。而 Julia 作为一种高级脚本语言，允许在其中编写内核和环境代码，并可在大多数 GPU 硬件上运行。本文旨在介绍 GPU 的工作原理，详细说明当前的 Julia GPU 环境，以及展示如何轻松运行简单 GPU 程序。

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首先，什么是 GPU？

GPU 是一种大型并行处理器，有几千个并行处理单元。例如，本文使用的 Tesla k80，能提供 4992 个并行 CUDA 核。GPU 在频率、延迟和硬件性能方面与 CPU 有很大的不同，但实际上 Tesla k80 有点类似于具有 4992 核的慢速 CPU。

能够启动的并行线程可以大幅提升速度，但也令使用 GPU 变得更困难。当使用这种未加处理的能量时，会出现以下缺点：

• GPU 是一种有专属内存空间和不同架构的独立硬件。因此，从 RAM 到 GPU 内存（VRAM，显存）的传输时间很长。甚至在 GPU 上启动内核（调用调度函数）也会带来很大的延迟，对于 GPU 而言是 10us 左右，而对于 CPU 只有几纳秒。
• 在没有高级封装的情况下，建立内核会变得复杂。
• 低精度是默认值，高精度的计算可以很容易地消除所有性能增益。
• GPU 函数（内核）本质上是并行的，所以编写 GPU 内核不比编写并行 CPU 代码容易，而且硬件上的差异增加了一定的复杂性。
• 与上述情况相关的很多算法都不能很好地迁移到 GPU 上。想要了解更多的细节，请看这篇博文：https://streamhpc.com/blog/2013-06-03/the application-areas-opencl- cuda-can- used/。
• 内核通常是用 C/ C++语言编写的，但这并不是写算法的最好语言。
• CUDA 和 OpenCL 之间有差异，OpenCL 是编写底层 GPU 代码的主要框架。虽然 CUDA 只支持英伟达硬件，OpenCL 支持所有硬件，但并不精细。要看个人需求进行选择。

而 Julia 作为一种高级脚本语言，允许在其中编写内核和环境代码，同时可在大多数 GPU 硬件上运行！

GPUArrays

大多数高度并行的算法都需要同时处理大量数据，以克服所有的多线程和延迟损耗。因此，大多数算法都需要数组来管理所有数据，这就需要一个好的 GPU 数组库作为关键的基础。

GPUArrays.jl 是 Julia 为此提供的基础。它实现了一个专门用于高度并行硬件的抽象数组。它包含了设置 GPU、启动 Julia GPU 函数、提供一些基本数组算法等所有必要功能。

抽象意味着它需要以 CuArrays 和 CLArrays 的形式实现。由于继承了 GPUArrays 的所有功能，它们提供的接口完全相同。唯一的区别出现在分配数组时，这会强制用户决定这一数组是存在于 CUDA 还是 OpenCL 设备上。关于这一点的更多信息，请参阅「内存」部分。

GPUArrays 有助于减少代码重复，因为它允许编写独立于硬件的 GPU 内核，这些内核可以通过 CuArrays 或 CLArrays 编译到本地的 GPU 代码。因此，大多通用内核可以在从 GPUArrays 继承的所有包之间共享。

选择小贴士：CuArrays 只支持 Nvidia GPU，而 CLArrays 支持大多数可用的 GPU。CuArrays 比 CLArrays 更稳定，可以在 Julia 0.7 上使用。速度上两者大同小异。我建议都试一试，看看哪种最有效。

本文中，我将选择 CuArrays，因为本文是在 Julia 0.7 / 1.0 上编写的，CLArrays 暂不支持。

性能

用一个简单的交互式代码示例来快速说明：为了计算 julia 集合（曼德勃罗集合），我们必须要将计算转移到 GPU 上。

using CuArrays, FileIO, Colors, GPUArrays, BenchmarkTools
using CuArrays: CuArray
"""
The function calculating the Julia set
"""
function juliaset(z0, maxiter)
 c = ComplexF32(-0.5, 0.75)
 z = z0
 for i in 1:maxiter
 abs2(z) > 4f0 && return (i - 1) % UInt8
 z = z * z + c
 end
 return maxiter % UInt8 # % is used to convert without overflow check
end
range = 100:50:2^12
cutimes, jltimes = Float64[], Float64[]
function run_bench(in, out)
 # use dot syntax to apply `juliaset` to each elemt of q_converted 
 # and write the output to result
 out .= juliaset.(in, 16)
 # all calls to the GPU are scheduled asynchronous, 
 # so we need to synchronize
 GPUArrays.synchronize(out)
end
# store a reference to the last results for plotting
last_jl, last_cu = nothing, nothing
for N in range
 w, h = N, N
 q = [ComplexF32(r, i) for i=1:-(2.0/w):-1, r=-1.5:(3.0/h):1.5]
 for (times, Typ) in ((cutimes, CuArray), (jltimes, Array))
 # convert to Array or CuArray - moving the calculation to CPU/GPU
 q_converted = Typ(q)
 result = Typ(zeros(UInt8, size(q)))
 for i in 1:10 # 5 samples per size
 # benchmarking macro, all variables need to be prefixed with $
 t = Base.@elapsed begin
 run_bench(q_converted, result)
 end
 global last_jl, last_cu # we're in local scope
 if result isa CuArray
 last_cu = result
 else
 last_jl = result
 end
 push!(times, t)
 end
 end
end
cu_jl = hcat(Array(last_cu), last_jl)
cmap = colormap("Blues", 16 + 1)
color_lookup(val, cmap) = cmap[val + 1]
save("results/juliaset.png", color_lookup.(cu_jl, (cmap,)))

using Plots; plotly()
x = repeat(range, inner = 10)
speedup = jltimes ./ cutimes
Plots.scatter(
 log2.(x), [speedup, fill(1.0, length(speedup))], 
 label = ["cuda" "cpu"], markersize = 2, markerstrokewidth = 0,
 legend = :right, xlabel = "2^N", ylabel = "speedup"
)

对于大型数组，通过将计算转移到 GPU，可以稳定地将速度提高 60-80 倍。获得此加速和将 Julia 数组转换为 GPUArray 一样简单。

有人可能认为 GPU 性能会受到像 Julia 这样的动态语言影响，但 Julia 的 GPU 性能应该与 CUDA 或 OpenCL 的原始性能相当。Tim Besard 在集成 LLVM Nvidia 编译流程方面做得很好，能够实现与纯 CUDA C 语言代码相同（有时甚至更好）的性能。他在博客（https://devblogs.nvidia.com/gpu-computing-julia-programming-language/）中作了进一步解释。CLArrays 方法有点不同，它直接从 Julia 生成 OpenCL C 代码，代码性能与 OpenCL C 相同！

为了更好地了解性能并与多线程 CPU 代码进行比对，我整理了一些基准：https://github.com/JuliaGPU/GPUBenchmarks.jl/blob/master/results/results.md

内存

GPU 具有自己的存储空间，包括显存（VRAM）、不同的高速缓存和寄存器。无论做什么，运行前都要先将 Julia 对象转移到 GPU。并非 Julia 中的所有类型都可以在 GPU 上运行。

首先让我们看一下 Julia 的类型：

struct Test # an immutable struct
# that only contains other immutable, which makes 
# isbitstype(Test) == true
 x::Float32 
end
# the isbits property is important, since those types can be used
# without constraints on the GPU!
@assert isbitstype(Test) == true
x = (2, 2)
isa(x, Tuple{Int, Int}) # tuples are also immutable
mutable struct Test2 #-> mutable, isbits(Test2) == false
 x::Float32
end
struct Test3
 # contains a heap allocation/ reference, not isbits
 x::Vector{Float32}
 y::Test2 # Test2 is mutable and also heap allocated / a reference
end
Vector{Test} # <- An Array with isbits elements is contigious in memory
Vector{Test2} # <- An Array with mutable elements is basically an array of heap pointers. Since it just contains cpu heap pointers, it won't work on the GPU.

"Array{Test2,1}"

所有这些 Julia 类型在传输到 GPU 或在 GPU 上创建时表现不同。下表概述了预期结果：

创建位置描述对象是在 CPU 上创建的，然后转移到 GPU 内核上，或者本身就由内核内部的 GPU 创建。该表显示创建类型的实例是否可行，对于从 CPU 到 GPU 的转移，该表还说明了对象是否能通过参照进行复制或传递。

垃圾收集

当使用 GPU 时，要注意 GPU 上没有垃圾收集器（GC）。这不会造成太大影响，因为写入 GPU 的高性能内核不应该创建任何 GC-跟踪的内存作为起始。

在 GPU 上实现 GC 不无可能，但请记住，每个执行内核都是大规模并行的。在大约 1000 个 gpu 线程中的每一个创建和跟踪大量堆内存就会马上破坏性能增益，因此实现 GC 是得不偿失的。

使用 GPUArrays 可以作为在内核中分配数组的替代方法。GPUArray 构造函数将创建 GPU 缓冲区并将数据转移到 VRAM。如果调用 Array(gpu_array)，数组将被转移回 RAM，变为普通的 Julia 数组。这些 gpu 数组的 Julia 操作由 Julia 的 GC 跟踪，如果不再使用，GPU 内存将被释放。

因此，只能在设备上使用堆栈分配，并且只能被其他的预先分配的 GPU 缓冲区使用。由于转移代价很高，因此在编写 GPU 时，往往要尽可能重用和预分配。

GPUArray 构造函数

using CuArrays, LinearAlgebra
# GPU Arrays can be constructed from all Julia arrays containing isbits types!
A1D = cu([1, 2, 3]) # cl for CLArrays
A1D = fill(CuArray{Int}, 0, (100,)) # CLArray for CLArrays
# Float32 array - Float32 is usually preferred and can be up to 30x faster on most GPUs than Float64
diagonal_matrix = CuArray{Float32}(I, 100, 100)
filled = fill(CuArray, 77f0, (4, 4, 4)) # 3D array filled with Float32 77
randy = rand(CuArray, Float32, 42, 42) # random numbers generated on the GPU
# The array constructor also accepts isbits iterators with a known size
# Note, that since you can also pass isbits types to a gpu kernel directly, in most cases you won't need to materialize them as an gpu array
from_iter = CuArray(1:10)
# let's create a point type to further illustrate what can be done:
struct Point
 x::Float32
 y::Float32
end
Base.convert(::Type{Point}, x::NTuple{2, Any}) = Point(x[1], x[2])
# because we defined the above convert from a tuple to a point
# [Point(2, 2)] can be written as Point[(2,2)] since all array 
# elements will get converted to Point
custom_types = cu(Point[(1, 2), (4, 3), (2, 2)])
typeof(custom_types)

"CuArray{point,1}"

数组操作

我们已经定义了许多操作。最重要的是，GPUArrays 支持 Julia 的融合点广播表示法（fusing dot broadcasting notation）。此表示法允许你将函数应用于数组的每个元素，并使用 f 的返回值创建新数组。此功能通常称为映射（map）。broadcast 指的是形状各异的数组被 broadcast 成相同形状。

工作原理如下：

x = zeros(4, 4) # 4x4 array of zeros
y = zeros(4) # 4 element array
z = 2 # a scalar
# y's 1st dimension gets repeated for the 2nd dimension in x
# and the scalar z get's repeated for all dimensions
# the below is equal to `broadcast(+, broadcast(+, xx, y), z)`
x .+ y .+ z

发生「融合」是因为 Julia 编译器会重写该表达式为一个传递调用树的 lazy broadcast 调用，然后可以在循环遍历数组之前将整个调用树融合到一个函数中。

如果你想要更详细的了解 broadcast，可以看该指南：julia.guide/broadcasting。

这意味着在不分配堆内存（仅创建 isbits 类型）的情况下运行的任何 Julia 函数，都可以应用于 GPUArray 的每个元素，并且多点调用会融合到一个内核调用中。由于内核调用会有很大延迟，所以这种融合是一个非常重要的优化。

using CuArrays
A = cu([1, 2, 3])
B = cu([1, 2, 3])
C = rand(CuArray, Float32, 3)
result = A .+ B .- C
test(a::T) where T = a * convert(T, 2) # convert to same type as `a`
# inplace broadcast, writes directly into `result`
result .= test.(A) # custom function work
# The cool thing is that this composes well with custom types and custom functions.
# Let's go back to our Point type and define addition for it
Base.:(+)(p1::Point, p2::Point) = Point(p1.x + p2.x, p1.y + p2.y)
# now this works:
custom_types = cu(Point[(1, 2), (4, 3), (2, 2)])
# This particular example also shows the power of broadcasting: 
# Non array types are broadcasted and repeated for the whole length
result = custom_types .+ Ref(Point(2, 2))
# So the above is equal to (minus all the allocations):
# this allocates a new array on the gpu, which we can avoid with the above broadcast
broadcasted = fill(CuArray, Point(2, 2), (3,))
result == custom_types .+ broadcasted

true

GPUArrays 支持更多操作：

• 实现 GPU 数组转换为 CPU 数组和复制
• 多维索引和切片 (xs[1:2, 5, :])
• permutedims
• 串联 (vcat(x, y), cat(3, xs, ys, zs))
• 映射，融合 broadcast(zs .= xs.^2 .+ ys .* 2)
• 填充 (CuArray, 0f0, dims)，填充 (gpu_array, 0)
• 减小尺寸 (reduce(+, xs, dims = 3), sum(x -> x^2, xs, dims = 1)
• 缩减为标量 (reduce(*, xs), sum(xs), prod(xs))
• 各种 BLAS 操作 (matrix*matrix, matrix*vector)
• FFT，使用与 julia 的 FFT 相同的 API

GPUArrays 实际应用

让我们直接看一些很酷的实例。

GPU 加速烟雾模拟器是由 GPUArrays + CLArrays 创建的，可在 GPU 或 CPU 上运行，GPU 版本速度提升 15 倍：

还有更多的例子，包括求微分方程、FEM 模拟和求解偏微分方程。

演示地址：https://juliagpu.github.io/GPUShowcases.jl/latest/index.html

让我们通过一个简单的机器学习示例，看看如何使用 GPUArrays：

using Flux, Flux.Data.MNIST, Statistics
using Flux: onehotbatch, onecold, crossentropy, throttle
using Base.Iterators: repeated, partition
using CuArrays
# Classify MNIST digits with a convolutional network
imgs = MNIST.images()
labels = onehotbatch(MNIST.labels(), 0:9)
# Partition into batches of size 1,000
train = [(cat(float.(imgs[i])..., dims = 4), labels[:,i])
 for i in partition(1:60_000, 1000)]
use_gpu = true # helper to easily switch between gpu/cpu
todevice(x) = use_gpu ? gpu(x) : x
train = todevice.(train)
# Prepare test set (first 1,000 images)
tX = cat(float.(MNIST.images(:test)[1:1000])..., dims = 4) |> todevice
tY = onehotbatch(MNIST.labels(:test)[1:1000], 0:9) |> todevice
m = Chain(
 Conv((2,2), 1=>16, relu),
 x -> maxpool(x, (2,2)),
 Conv((2,2), 16=>8, relu),
 x -> maxpool(x, (2,2)),
 x -> reshape(x, :, size(x, 4)),
 Dense(288, 10), softmax) |> todevice
m(train[1][1])
loss(x, y) = crossentropy(m(x), y)
accuracy(x, y) = mean(onecold(m(x)) .== onecold(y))
evalcb = throttle(() -> @show(accuracy(tX, tY)), 10)
opt = ADAM(Flux.params(m));

# train
for i = 1:10
 Flux.train!(loss, train, opt, cb = evalcb)
end

using Colors, FileIO, ImageShow
N = 22
img = tX[:, :, 1:1, N:N]
println("Predicted: ", Flux.onecold(m(img)) .- 1)
Gray.(collect(tX[:, :, 1, N]))

只需将数组转换为 GPUArrays（使用 gpu(array），就可以将整个计算移动到 GPU 并获得可观的速度提升。这要归功于 Julia 复杂的 AbstractArray 基础架构，使 GPUArray 可以无缝集成。随后，如果省略转换为 GPUArray 这一步，代码会按普通的 Julia 数组处理，但仍在 CPU 上运行。可以尝试将 use_gpu = true 改为 use_gpu = false，重新运行初始化和训练单元格。对比 GPU 和 CPU，CPU 运行时间为 975 秒，GPU 运行时间为 29 秒，速度提升约 33 倍。

另一个优势是为了有效地支持神经网络的反向传播，GPUArrays 无需明确地实现自动微分。这是因为 Julia 的自动微分库适用于任意函数，并存有可在 GPU 上高效运行的代码。这样即可利用最少的开发人员就能在 GPU 上实现 Flux，并使 Flux GPU 能够高效实现用户定义的功能。这种开箱即用的 GPUArrays + Flux 不需要协调，这是 Julia 的一大特点，详细解释如下：为什么 Numba 和 Cython 不能代替 Julia（http://www.stochasticlifestyle.com/why）。

编写 GPU 内核

一般情况，只使用 GPUArrays 的通用抽象数组接口即可，而不需要编写任何 GPU 内核。但是有些时候，可能需要在 GPU 上实现一个无法通过一般数组算法组合表示的算法。

好消息是，GPUArrays 通过分层法消除了大量工作，可以实现从高级代码开始，编写类似于大多数 OpenCL / CUDA 示例的低级内核。同时可以在 OpenCL 或 CUDA 设备上执行内核，从而提取出这些框架中的所有差异。

实现上述功能的函数名为 gpu_call。调用语句为 gpu_call(kernel, A::GPUArray, args)，在 GPU 上使用参数 (state, args...) 调用 kernel。State 是一个用于实现获取线程索引等功能的后端特定对象。GPUArray 需要作为第二个参数传递，以分配到正确的后端并提供启动参数的默认值。

让我们使用 gpu_call 来实现一个简单的映射内核：

using GPUArrays, CuArrays
# Overloading the Julia Base map! function for GPUArrays
function Base.map!(f::Function, A::GPUArray, B::GPUArray)
 # our function that will run on the gpu
 function kernel(state, f, A, B)
 # If launch parameters aren't specified, linear_index gets the index
 # into the Array passed as second argument to gpu_call (`A`)
 i = linear_index(state)
 if i <= length(A)
 @inbounds A[i] = f(B[i])
 end
 return
 end
 # call kernel on the gpu
 gpu_call(kernel, A, (f, A, B))
end

简单来说，这将在 GPU 上并行调用 julia 函数 kernel length(A) 次。kernel 的每个并行调用都有一个线程索引，可以利用它索引到数组 A 和 B。如果计算索引时没有使用 linear_index，就需要确保没有多个线程读取和写入相同的数组位置。因此，如果在纯 Julia 中使用线程编写，可等效如下：

using BenchmarkTools
function threadded_map!(f::Function, A::Array, B::Array)
 Threads.@threads for i in 1:length(A)
 A[i] = f(B[i])
 end
 A
end
x, y = rand(10^7), rand(10^7)
kernel(y) = (y / 33f0) * (732.f0/y)
# on the cpu without threads:
single_t = @belapsed map!($kernel, $x, $y)
# "on the CPU with 4 threads (2 real cores):
thread_t = @belapsed threadded_map!($kernel, $x, $y)
# on the GPU:
xgpu, ygpu = cu(x), cu(y)
gpu_t = @belapsed begin
 map!($kernel, $xgpu, $ygpu)
 GPUArrays.synchronize($xgpu)
end
times = [single_t, thread_t, gpu_t]
speedup = maximum(times) ./ times
println("speedup: $speedup")
bar(["1 core", "2 cores", "gpu"], speedup, legend = false, fillcolor = :grey, ylabel = "speedup")

由于该函数未实现过多内容，也得不到更多的扩展，但线程化和 GPU 版本仍然有一个很好的加速。

GPU 与线程示例相比，能显示更复杂的内容，因为硬件线程是以线程块的形式分布的，gpu_call 是从简单版本中提取出来的，但它也可以用于更复杂的启动配置：

using CuArrays
threads = (2, 2)
blocks = (2, 2)
T = fill(CuArray, (0, 0), (4, 4))
B = fill(CuArray, (0, 0), (4, 4))
gpu_call(T, (B, T), (blocks, threads)) do state, A, B
 # those names pretty much refer to the cuda names
 b = (blockidx_x(state), blockidx_y(state))
 bdim = (blockdim_x(state), blockdim_y(state))
 t = (threadidx_x(state), threadidx_y(state))
 idx = (bdim .* (b .- 1)) .+ t
 A[idx...] = b
 B[idx...] = t
 return
end
println("Threads index: 
", T)
println("Block index: 
", B)

上面的示例中启动配置的迭代顺序更复杂。确定合适的迭代+启动配置对于实现最优 GPU 性能至关重要。很多关于 CUDA 和 OpenCL 的 GPU 教程都非常详细地解释了这一点，在 Julia 中编程 GPU 时这些原理是相通的。

结论

Julia 为高性能的世界带来了可组合的高级编程。现在是时候为 GPU 做同样的事了。

希望 Julia 能降低人们在 GPU 编程的门槛，我们可以为开源 GPU 计算开发可扩展的平台。第一个成功案例是通过 Julia 软件包实现自动微分解决方案，这些软件包甚至都不是为 GPU 编写的，因此可以相信 Julia 在 GPU 计算领域的扩展性和通用设计中一定会大放异彩。