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Comme souvent, l'arrivée d'une nouvelle architecture est associée à une révision majeure de CUDA, l'environnement logiciel de Nvidia destiné au calcul massivement parallèle. Ce sera évidemment le cas pour les GPU Pascal qui pourront profiter dès cet été d'un CUDA 8 taillé sur mesure. Au menu : un support plus évolué de la mémoire unifiée, un profilage plus efficace et un compilateur plus rapide.
La principale nouveauté de CUDA 8 sera le support complet de l'architecture Pascal et particulièrement du GP100 qui équipe l'accélérateur Tesla P100. Déjà introduit avec CUDA 7.5 pour permettre aux développeurs de s'y préparer, le support de la demi-précision (FP16) sera finalisé et pourra permettre des gains conséquents pour les algorithmes qui peuvent s'en contenter. Dans le cas du GP100, CUDA 8 ajoutera évidemment le pilotage des accès mémoire à travers les liens NVLink.
La plus grosse évolution est cependant à chercher du côté de la mémoire unifiée qui va faire un bond en avant avec Pascal, ou tout du moins avec le GP100 puisque nous ne sommes pas certains que les autres GPU Pascal en proposeront un même niveau de support. Si vous avez l'impression qu'on vous a annoncé le support de cette mémoire unifiée avec chaque nouveau GPU, ne vous inquiétez pas, vous n'avez pas rêvé, nous avons la même impression.
Elle est en fait supportée depuis CUDA 6 pour les GPU Kepler et Maxwell mais de façon limitée, que nous pourrions qualifier d'émulée. Pour ces GPU, l'espace de mémoire unifié est en fait dédoublé dans la mémoire centrale et dans la mémoire physiquement associée au GPU. L'ensemble logiciel CUDA se charge de piloter et de synchroniser ces deux espaces mémoires pour qu'ils n'en représentent qu'un seul du point de vue du développeur. De quoi faciliter sa tâche mais au prix de sérieuses limitations : la zone de mémoire unifiée ne peut dépasser la quantité de mémoire rattachée au GPU, le CPU et le GPU ne peuvent y accéder simultanément et de nombreuses synchronisations systématiques sont nécessaires pour forcer la cohérence entre les copies CPU et GPU de cette mémoire.
Pour proposer un support plus avancé de la mémoire unifiée, des modifications matérielles étaient nécessaires au niveau du GPU, ce qui explique pourquoi nous estimons possible que cela soit spécifique au GP100. Tout d'abord l'extension de l'espace mémoire adressable à 49-bit pour permettre de couvrir l'espace de 48-bit des CPU ainsi que la mémoire propre à chaque GPU du système. Ensuite la prise en charge des erreurs de page qui permet d'éviter les coûteuses synchronisations systématiques. Si un kernel essaye d'accéder à une page qui ne réside pas dans la mémoire physique du GPU, il va produire une erreur qui va permettre suivant les cas soit de rapatrier localement la page en question, soit d'y accéder directement à travers le bus PCI Express ou un lien NVLink.
La cohérence peut ainsi être garantie automatiquement, ce qui permet aux CPU et aux GPU d'accéder simultanément à la zone de mémoire unifiée. Sur certaines plateformes, la mémoire allouée par l'allocateur de l'OS sera par défaut de la mémoire unifiée, et il ne sera plus nécessaire d'allouer une zone mémoire spécifique. Nvidia indique travailler à l'intégration de ce support avec Red Hat et la communauté Linux. Par ailleurs, CUDA 8 étend également le support de la mémoire unifiée à Mac OS X.
Ce support plus avancé de la mémoire unifiée va faciliter le travail des développeurs et surtout rendre plus abordable leurs premiers pas sur les GPU tout en maintenant un relativement bon niveau de performances. Tout du moins si le pilote et le runtime CUDA font leur travail correctement puisque c'est à ce niveau que tout va se jouer. A noter que les développeurs plus expérimentés conservent la possibilité de gérer explicitement la mémoire.
Parmi les autres nouveautés, Nvidia introduit une première version de la librairie nvGRAPH (limitée au mono GPU) qui fournit des routines destinées à accélérer certains algorithmes spécifiques au traitement des graphes. Traiter rapidement les opérations sur ces structures mathématique prend de plus en plus d'importance, que ce soit pour les moteurs de recherche, la publicité ciblée, l'analyse des réseaux ou encore la génomique. Faciliter l'exécution de ces opérations sur le GPU est donc important pour leur ouvrir la porte à de nouveaux marchés potentiels.
Une autre évolution importante est à chercher du côté des outils de profilages qui vont dorénavant fournir une analyse des dépendances. De quoi par exemple permettre de mieux détecter que les performances sont limitées par un kernel qui bloque le CPU trop longtemps. Ces outils revus prennent également en compte NVLink et la bande passante utilisée à ce niveau.
Enfin, le compilateur NVCC 8.0 a reçu de nombreuses optimisations pour réduire le temps de compilation. Nvidia annonce qu'il serait réduit de moitié, voire plus, dans de nombreux cas. Ce compilateur étend également le support expérimental des expressions lambda de C++11.
La sortie de CUDA 8.0 est prévue pour le mois d'août mais une release candidate devrait être proposée dès le mois de juin.
Nvidia annonce la Tesla K40 et CUDA 6
La semaine passée, à l'occasion du SC13 (Supercomputing 2013), Nvidia a annoncé deux nouveautés liées au calcul haute performance : l'accélérateur Tesla K40 et la version 6 de CUDA.
Pour rappel, c'est la gamme Tesla qui a été la première à profiter du plus gros GPU de la famille Kepler, le GK110. Contrairement aux Quadro K6000 et GeForce GTX 780 Ti plus récentes, cette gamme Tesla n'accueillait cependant toujours pas de version complète du GK110, c'est-à-dire avec l'ensemble de ses unités d'exécution actives. Une configuration facilitée par l'arrivée de la révision B1 du GPU.
La Tesla K40 profite ainsi de 15 SMX, de 2880 unités de calcul FMA 32-bit et de 960 unités FMA 64-bit pour afficher une puissance de calcul en hausse de près de 10% par rapport à la Tesla K20X. Par ailleurs, comme pour le Quadro K6000, Nvidia profite de la disponibilité effective de la GDDR5 4 Gbits pour faire passer la mémoire dédiée de son accélérateur de 6 à 12 Go. Sa fréquence est par ailleurs revue à la hausse ce qui profite à la bande passante mémoire en hausse de 15%.
Si la fréquence GPU ne progresse que très peu pour la Tesla K40, c'est uniquement pour garantir que l'enveloppe thermique ne soit pas atteinte dans les tâches de type calcul, sachant que, contrairement aux GeForce, Nvidia ne propose pas de turbo pour ces cartes afin d'éviter que leurs performances soient variables. Par contre, pour la Tesla K40, Nvidia propose 2 modes avec des fréquences GPU différentes : optionnellement, il sera ainsi possible de passer le GPU de 745 à 810 ou 875 MHz. Il ne s'agit pas d'un overclocking dans le sens où ces fréquences sont validées par Nvidia, ni d'un turbo automatique, même si Nvidia place cette possibilité sous l'appellation GPU Boost, marque du turbo des GeForce... Si la personne qui exploite ces Tesla K40 constate qu'elles restent loin de leur TDP dans une certaine situation, elle aura la possibilité de passer à un de ces modes de fréquence supérieure. De quoi profiter 9% voire 17% de puissance supplémentaire.
A noter que la Tesla K40 sera proposée autant avec un refroidissement actif, comme la K20, qu'avec un refroidissement passif en vue d'intégration dans un serveur, comme la K20X. Enfin, le PCI Express 3.0 est activé sur la K40 contrairement aux K20/X.
Nvidia ne communique pas au niveau de la tarification, mais elle devrait rester inférieure à celle de la Quadro K6000, probablement passer à 5000$ alors que les K20/X devraient voir leur tarif baisser. Il faut cependant garder en tête que sur ce marché de niche, les prix sont fortement variables, les grossistes n'hésitant pas à se réserver des marges conséquentes. Ainsi pour des tarifs annoncés par Nvidia de 3200$ et de 5000$ pour les K20 et K20X, en pratique, il fallait en général compter plutôt 4000$ et 7500$, la même chose en euros.
Parallèlement à l'arrivée de cette nouvelle Tesla, Nvidia a annoncé CUDA 6 qui apporte une nouveauté majeure et très attendue : la prise en charge d'une mémoire unifiée. Une fonctionnalité qui donne l'impression d'être annoncée et réannoncée régulièrement, AMD et Nvidia ayant régulièrement joué sur les mots à ce niveau. Pour rappel, depuis quelques temps, CUDA supporte un adressage de mémoire virtuelle unifié, qui facilite quelque peu le développement mais n'était qu'un premier pas. La mémoire unifiée, représente cette fois une abstraction totale de la gestion de la mémoire : il n'est plus nécessaire que le développeur gère les transferts de données de la mémoire centrale vers la mémoire de l'accélérateur.
Une gestion manuelle de la mémoire restera possible, étant donné qu'aussi bénéfique soit cette simplification, elle peut avoir un coût sur le plan des performances et de l'efficacité puisqu'il reviendra aux pilotes et/ou aux compilateurs d'essayer de placer automatiquement les données au bon endroit.
Confiant dans l'avenir, Nvidia termine par annoncer que l'ouverture par IBM, cet été, de sa plateforme serveur POWERn, va permettre d'y intégrer des accélérateurs Tesla dès 2014. Des accélérateurs qui seront ainsi exploités non plus uniquement sur x86 mais également sur architectures POWER et ARMv8.
Nvidia rachète PGI, The Portland Group
Afin de renforcer sa position et sa crédibilité dans le monde du HPC, le calcul massivement parallèle, Nvidia vient de racheter The Portland Group (PGI) qui était jusqu'alors propriété de STMicroelectronics. Depuis 1989, PGI conçoit des outils et compilateurs C, C++ et Fortran dédiés aux supercalculateurs. C'est naturellement que la société avait sauté le pas vers le GPGPU notamment en travaillant en étroite collaboration avec Nvidia pour lequel il a développé la version Fortran de CUDA.
PGI s'est ensuite associé à CAPS, Cray et Nvidia pour développer le standard OpenACC, un langage de programmation de haut niveau qui permet d'exploiter les accélérateurs massivement parallèles relativement facilement à l'aide de directives. Présent sur toutes les architectures, PGI propose également un compilateur OpenCL optimisé pour les micro-serveurs à base de CPU multicores d'architecture ARM.
Une acquisition qui est donc logique pour Nvidia, que ce soit en vue de ce dernier point (le développement de son premier core ARM 64-bit est en cours de finalisation) ou pour le GPGPU en général. Tout comme c'était le cas à l'intérieur du groupe STMicroelectronics, PGI va rester une entité indépendante supervisée par Nvidia, tout du moins dans un premier temps. Reste bien entendu à voir si le support des architectures concurrentes restera maintenu dans le temps.
Jeff Herbst, NVIDIA VP of Business Development, Doug Miles, PGI Director et Ian Buck, NVIDIA General Manager of GPU Computing Software.
Dans l'immédiat, Nvidia va pouvoir profiter de synergies dans le développement de compilateurs destinés à l'architecture CUDA. Comme l'indique Ian Buck, General Manager of GPU Computing Software chez Nvidia (et accessoirement le développeur qui a écrit la première version de C pour CUDA), derrière le succès de tout processeur se cache l'équipe de développement des compilateurs. Avec PGI, nul doute que celle de Nvidia se retrouvera renforcée.
GTC: Les Tesla K20X dans le Piz Daint suisse
Après le supercalculateur Titan du Laboratoire national d'Oak Ridge, Nvidia a annoncé qu'un second supercalculateur venait de faire le choix de CUDA et de l'accélérateur Tesla K20X. Ce supercalculateur se nomme Piz Daint et est construit par le Centre national Suisse de Calcul Scientifique (CSCS) en collaboration avec MeteoSwiss. Bien que plus modeste que Titan, il devrait devenir le supercalculateur le plus puissant d'Europe avec une puissance de calcul supérieure au pétaflop. Il sera destiné à la recherche et à la modélisation météorologique.
Détail important concernant Piz Daint, il est basé sur la plateforme XC30 de Cray, qui repose sur des Xeon E5 et supporte l'accélérateur Xeon Phi en plus du Tesla K20X. Une double victoire donc pour Nvidia qui en plus de pouvoir fournir un nouveau supercalculateur, le fait en battant le concurrent direct proposé par Intel.
GTC: Performances GPU de Logan = GT 640M ?
Durant la GTC 2013, nous avons pu nous entretenir avec Ian Buck qui est à l'origine de la première version de CUDA et actuellement General Manager chez Nvidia pour les technologies du GPU Computing. Interrogé au sujet de Kayla, la plateforme de développement CUDA on ARM équipée d'un GPU GK208, Ian Buck nous a indiqué que les performances GPU, au niveau de CUDA, étaient bel et bien représentatives de celles de Logan, sans vouloir en dire plus.
Bien que ce niveau de performances représente le bas de gamme sur PC, il s'agit d'une évolution énorme pour un SoC Tegra. Si le passage au 20nm et sans aucun doute plusieurs évolutions de l'architecture (avec probablement une réduction du nombre d'unités de texturing), faciliteront l'arrivée de l'architecture Kepler et de CUDA dans le monde ultra-mobile, il est difficile d'imaginer que ces 384 cores (ou équivalents) flexibles ne consommeront pas plus que les 72 cores avec pipeline fixe de Tegra 4.
De quoi nous laisser spéculer qu'avec Logan, Nvidia devra se contenter de versions bridées (en termes d'unités actives ou de fréquences) pour les "petites" tablettes et les superphones, mais compte par contre revoir ses prétentions à la hausse avec un SoC capable de monter en gamme pour viser les "grosses" tablettes voire des ultra-portables et bien entendu le successeur de Shield.
Parallèlement à cela, Ian Buck nous a indiqué que CUDA devrait progressivement devenir "power aware" et devenir capable de prendre en compte l'aspect consommation ou tout du moins de permettre aux développeurs de le faire. Cela se fera tout d'abord au niveau des outils tels que Nsight (et sa version Tegra) qui d'ici quelques temps reporteront des informations liées à la consommation.
Il est possible qu'à terme, les compilateurs CUDA, permettent optionnellement d'améliorer le rendement énergétique, mais cela est encore à l'état de recherche et prendra encore plusieurs années avant d'éventuellement se concrétiser. Globalement, la meilleure stratégie reste d'exécuter le plus rapidement une tâche pour retourner au repos dès que possible mais ce n'est pas toujours vrai, d'autant plus dans le cas d'une tâche continue telle que le rendu 3D sur GPU. Par exemple, calculer une valeur au lieu de la lire en mémoire peut avoir un léger impact sur les performances mais augmenter le rendement énergétique.
En plus de préparer le futur avec CUDA, dans l'immédiat, le plus important pour Nvidia est probablement d'arriver à convaincre un maximum de développeurs que faire l'effort nécessaire pour arriver à utiliser 2 threads ou plus à fréquence modérée offre un meilleur rendement que se contenter d'un seul thread mais des performances de la fréquence CPU maximale.
Correction du 01/07/2013: le nom du GPU que nous pensions être GK117 est en réalité GK208.
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