タイルの使用

[アーティクル]
04/03/2023

タイルを使用して、アプリのアクセラレーションを最大化することができます。タイルでは、スレッドを等しい四角形のサブセット、つまり "タイル" に分割します。適切なタイルのサイズとタイルアルゴリズムを使用している場合、C++ AMP コードによるアクセラレーションがさらに向上します。タイルの基本コンポーネントは次のとおりです。

tile_static 変数。タイルの主な利点は、tile_static へのアクセスによるパフォーマンスの向上です。 tile_static メモリのデータへのアクセスは、グローバル空間内のデータ (array または array_view オブジェクト) へのアクセスよりも大幅に高速になる場合があります。各タイルについて tile_static 変数のインスタンスが作成され、タイル内のすべてのスレッドがこの変数にアクセスできます。一般的なタイルアルゴリズムでは、データをグローバルメモリから tile_static メモリに 1 回コピーし、tile_static メモリから何度もアクセスします。
tile_barrier::wait メソッド. tile_barrier::wait の呼び出しは、同じタイル内のすべてのスレッドが tile_barrier::wait の呼び出しに到達するまで、現在のスレッドの実行を中断します。スレッドが実行される順序を保証することはできません。ただ、すべてのスレッドが tile_barrier::wait の呼び出しに到達するまで、タイル内のどのスレッドもこの呼び出しを越えて実行されないだけです。これは、tile_barrier::wait メソッドを使用することによって、スレッド単位ではなく、タイル単位でタスクを実行できることを意味します。一般的なタイルアルゴリズムでは、tile_static メモリ全体を初期化するコードがあり、その後に tile_barrier::wait の呼び出しが続きます。 tile_barrier::wait の後に続くコードには、すべての tile_static 値へのアクセスを必要とする計算が含まれます。
ローカルおよびグローバルインデックス作成。 array_view オブジェクトや array オブジェクト全体を基準とするスレッドのインデックス、およびタイルを基準とするインデックスにアクセスできます。ローカルインデックスを使うと、コードが読みやすくなり、デバッグも容易になります。通常、tile_static 変数にアクセスするにはローカルインデックスを使用し、array 変数や array_view 変数にアクセスするにはグローバルインデックスを使用します。
tiled_extent クラスと tiled_index クラス。 tiled_extent の呼び出しで extent オブジェクトではなく parallel_for_each オブジェクトを使用します。 tiled_index の呼び出しで index オブジェクトではなく parallel_for_each オブジェクトを使用します。

タイルを活用するには、アルゴリズムによって、計算ドメインをタイルに分割し、すばやくアクセスできるようにタイルのデータを tile_static 変数にコピーする必要があります。

グローバル、タイル、およびローカルインデックスの例

Note

C++ AMP ヘッダーは、Visual Studio 2022 バージョン 17.0 以降では非推奨です。 AMP ヘッダーを含めると、ビルドエラーが発生します。警告をサイレント状態にするには、AMP ヘッダーを含める前に _SILENCE_AMP_DEPRECATION_WARNINGS を定義します。

次の図は、2 × 3 のタイルに配置された 8 × 9 のデータ行列を示しています。

Diagram of an 8 by 9 matrix divided into 2 by 3 tiles.

次の例では、このタイル化された行列のグローバル、タイル、およびローカルインデックスを表示します。 array_view オブジェクトは、Description 型の要素を使用して作成されます。 Description は、行列の要素のグローバル、タイル、およびローカルインデックスを保持します。 parallel_for_each の呼び出しのコードは、各要素のグローバル、タイル、およびローカルインデックスの値を設定します。出力は Description 構造体の値を表示します。

#include <iostream>
#include <iomanip>
#include <Windows.h>
#include <amp.h>
using namespace concurrency;

const int ROWS = 8;
const int COLS = 9;

// tileRow and tileColumn specify the tile that each thread is in.
// globalRow and globalColumn specify the location of the thread in the array_view.
// localRow and localColumn specify the location of the thread relative to the tile.
struct Description {
    int value;
    int tileRow;
    int tileColumn;
    int globalRow;
    int globalColumn;
    int localRow;
    int localColumn;
};

// A helper function for formatting the output.
void SetConsoleColor(int color) {
    int colorValue = (color == 0)  4 : 2;
    SetConsoleTextAttribute(GetStdHandle(STD_OUTPUT_HANDLE), colorValue);
}

// A helper function for formatting the output.
void SetConsoleSize(int height, int width) {
    COORD coord;

    coord.X = width;
    coord.Y = height;
    SetConsoleScreenBufferSize(GetStdHandle(STD_OUTPUT_HANDLE), coord);

    SMALL_RECT* rect = new SMALL_RECT();
    rect->Left = 0;
    rect->Top = 0;
    rect->Right = width;
    rect->Bottom = height;
    SetConsoleWindowInfo(GetStdHandle(STD_OUTPUT_HANDLE), true, rect);
}

// This method creates an 8x9 matrix of Description structures.
// In the call to parallel_for_each, the structure is updated
// with tile, global, and local indices.
void TilingDescription() {
    // Create 72 (8x9) Description structures.
    std::vector<Description> descs;
    for (int i = 0; i < ROWS * COLS; i++) {
        Description d = {i, 0, 0, 0, 0, 0, 0};
        descs.push_back(d);
    }

    // Create an array_view from the Description structures.
    extent<2> matrix(ROWS, COLS);
    array_view<Description, 2> descriptions(matrix, descs);

    // Update each Description with the tile, global, and local indices.
    parallel_for_each(descriptions.extent.tile< 2, 3>(),
        [=] (tiled_index< 2, 3> t_idx) restrict(amp)
    {
        descriptions[t_idx].globalRow = t_idx.global[0];
        descriptions[t_idx].globalColumn = t_idx.global[1];
        descriptions[t_idx].tileRow = t_idx.tile[0];
        descriptions[t_idx].tileColumn = t_idx.tile[1];
        descriptions[t_idx].localRow = t_idx.local[0];
        descriptions[t_idx].localColumn= t_idx.local[1];
    });

    // Print out the Description structure for each element in the matrix.
    // Tiles are displayed in red and green to distinguish them from each other.
    SetConsoleSize(100, 150);
    for (int row = 0; row < ROWS; row++) {
        for (int column = 0; column < COLS; column++) {
            SetConsoleColor((descriptions(row, column).tileRow + descriptions(row, column).tileColumn) % 2);
            std::cout << "Value: " << std::setw(2) << descriptions(row, column).value << "      ";
        }
        std::cout << "\n";

        for (int column = 0; column < COLS; column++) {
            SetConsoleColor((descriptions(row, column).tileRow + descriptions(row, column).tileColumn) % 2);
            std::cout << "Tile:   " << "(" << descriptions(row, column).tileRow << "," << descriptions(row, column).tileColumn << ")  ";
        }
        std::cout << "\n";

        for (int column = 0; column < COLS; column++) {
            SetConsoleColor((descriptions(row, column).tileRow + descriptions(row, column).tileColumn) % 2);
            std::cout << "Global: " << "(" << descriptions(row, column).globalRow << "," << descriptions(row, column).globalColumn << ")  ";
        }
        std::cout << "\n";

        for (int column = 0; column < COLS; column++) {
            SetConsoleColor((descriptions(row, column).tileRow + descriptions(row, column).tileColumn) % 2);
            std::cout << "Local:  " << "(" << descriptions(row, column).localRow << "," << descriptions(row, column).localColumn << ")  ";
        }
        std::cout << "\n";
        std::cout << "\n";
    }
}

int main() {
    TilingDescription();
    char wait;
    std::cin >> wait;
}

この例の主要な処理は、array_view オブジェクトの定義と parallel_for_each の呼び出しにあります。

Description 構造体のベクターが 8 × 9 の array_view オブジェクトにコピーされます。
parallel_for_each メソッドは、tiled_extent オブジェクトを計算ドメインとして使用して呼び出されます。 tiled_extent オブジェクトは、extent::tile() 変数の descriptions メソッドを呼び出すことによって作成されます。 extent::tile() の呼び出しの型パラメーター <2,3> は、2 × 3 のタイルが作成されることを指定します。したがって、8 × 9 行列が 4 行 3 列の 12 のタイルになります。
parallel_for_each メソッドは、tiled_index<2,3> オブジェクト (t_idx) をインデックスとして使用することによって呼び出されます。インデックス (t_idx) の型パラメーターは、計算ドメイン (descriptions.extent.tile< 2, 3>()) の型パラメーターと一致している必要があります。
各スレッドが実行されるときに、インデックス t_idx は、スレッドが含まれているタイル (tiled_index::tile プロパティ) およびタイル内のスレッドの位置 (tiled_index::local プロパティ) に関する情報を返します。

タイルの同期: tile_static と tile_barrier::wait

前の例は、タイルのレイアウトとインデックスについて説明していますが、それ自体は有用ではありません。タイルは、タイルがアルゴリズムに不可欠であり、tile_static 変数を十分に活用する場合に有用になります。タイル内のすべてのスレッドは tile_static 変数にアクセスできるため、tile_static 変数へのアクセスを同期するために tile_barrier::wait の呼び出しが使用されます。タイル内のすべてのスレッドが tile_static 変数にアクセスできますが、タイル内のスレッドの実行順序は保証されません。次の例では、tile_static 変数と、tile_barrier::wait メソッドを使用して、各タイルの平均値を計算する方法を示します。この例を理解するための鍵を次に示します。

rawData は 8 × 8 の行列に格納されます。
タイルのサイズは 2 × 2 です。これにより 4 × 4 グリッドのタイルが作成され、array オブジェクトを使用することによって、4 × 4 の行列に平均値を格納できます。 AMP 制限関数では、参照によってキャプチャできる型の数は限られています。 array クラスはそのうちの 1 つです。
行列のサイズとサンプルのサイズは、#define ステートメントを使用することによって定義されます。これは、array、array_view、extent、および tiled_index に対する型パラメーターは定数値である必要があるためです。 const int static 宣言を使用することもできます。もう 1 つの利点として、サンプルサイズを変更して、4 × 4 のタイルで平均を計算することは容易であることが挙げられます。
浮動小数点値の tile_static の 2 × 2 の配列は、各タイルについて宣言されます。この宣言は各スレッドのコードパスにありますが、行列内の各タイルについて配列は 1 つだけ作成されます。
tile_static 配列に各タイルの値をコピーするコード行があります。各スレッドについて、値が配列にコピーされた後、tile_barrier::wait の呼び出しによってスレッドの実行は停止します。
タイル内のすべてのスレッドがこのバリアに到達したときに、平均を計算できます。コードは各スレッドに対して実行されるため、1 つのスレッドでのみ平均を計算するために if ステートメントがあります。平均は averages 変数に格納されます。バリアは基本的にタイルごとの計算を制御するコンストラクトであり、for ループと同じように使用します。
averages 変数内のデータは、array オブジェクトであるため、ホストにコピーして戻す必要があります。この例では、ベクター変換演算子を使用します。
完成した例では、SAMPLESIZE を 4 に変更でき、他のコードは変更されずに正しく実行されます。

#include <iostream>
#include <amp.h>
using namespace concurrency;

#define SAMPLESIZE 2
#define MATRIXSIZE 8
void SamplingExample() {

    // Create data and array_view for the matrix.
    std::vector<float> rawData;
    for (int i = 0; i < MATRIXSIZE * MATRIXSIZE; i++) {
        rawData.push_back((float)i);
    }
    extent<2> dataExtent(MATRIXSIZE, MATRIXSIZE);
    array_view<float, 2> matrix(dataExtent, rawData);

    // Create the array for the averages.
    // There is one element in the output for each tile in the data.
    std::vector<float> outputData;
    int outputSize = MATRIXSIZE / SAMPLESIZE;
    for (int j = 0; j < outputSize * outputSize; j++) {
        outputData.push_back((float)0);
    }
    extent<2> outputExtent(MATRIXSIZE / SAMPLESIZE, MATRIXSIZE / SAMPLESIZE);
    array<float, 2> averages(outputExtent, outputData.begin(), outputData.end());

    // Use tiles that are SAMPLESIZE x SAMPLESIZE.
    // Find the average of the values in each tile.
    // The only reference-type variable you can pass into the parallel_for_each call
    // is a concurrency::array.
    parallel_for_each(matrix.extent.tile<SAMPLESIZE, SAMPLESIZE>(),
        [=, &averages] (tiled_index<SAMPLESIZE, SAMPLESIZE> t_idx) restrict(amp)
    {
        // Copy the values of the tile into a tile-sized array.
        tile_static float tileValues[SAMPLESIZE][SAMPLESIZE];
        tileValues[t_idx.local[0]][t_idx.local[1]] = matrix[t_idx];

        // Wait for the tile-sized array to load before you calculate the average.
        t_idx.barrier.wait();

        // If you remove the if statement, then the calculation executes for every
        // thread in the tile, and makes the same assignment to averages each time.
        if (t_idx.local[0] == 0 && t_idx.local[1] == 0) {
            for (int trow = 0; trow < SAMPLESIZE; trow++) {
                for (int tcol = 0; tcol < SAMPLESIZE; tcol++) {
                    averages(t_idx.tile[0],t_idx.tile[1]) += tileValues[trow][tcol];
                }
            }
            averages(t_idx.tile[0],t_idx.tile[1]) /= (float) (SAMPLESIZE * SAMPLESIZE);
        }
    });

    // Print out the results.
    // You cannot access the values in averages directly. You must copy them
    // back to a CPU variable.
    outputData = averages;
    for (int row = 0; row < outputSize; row++) {
        for (int col = 0; col < outputSize; col++) {
            std::cout << outputData[row*outputSize + col] << " ";
        }
        std::cout << "\n";
    }
    // Output for SAMPLESIZE = 2 is:
    //  4.5  6.5  8.5 10.5
    // 20.5 22.5 24.5 26.5
    // 36.5 38.5 40.5 42.5
    // 52.5 54.5 56.5 58.5

    // Output for SAMPLESIZE = 4 is:
    // 13.5 17.5
    // 45.5 49.5
}

int main() {
    SamplingExample();
}

競合状態

次のように、tile_static という名前の total の変数を作成し、スレッドごとにその変数をインクリメントすることは魅力的です。

// Do not do this.
tile_static float total;
total += matrix[t_idx];
t_idx.barrier.wait();

averages(t_idx.tile[0],t_idx.tile[1]) /= (float) (SAMPLESIZE* SAMPLESIZE);

このアプローチの最初の問題は、tile_static 変数で初期化子を含むことができないことです。 2 番目の問題は、タイル内のすべてのスレッドが total 変数にアクセスでき、特定の順序ではないため、この変数への代入で競合状態が発生することです。次に示すように、各バリアで 1 つのスレッドだけが total にアクセスできるようなアルゴリズムをプログラミングできます。ただし、このソリューションは拡張可能ではありません。

// Do not do this.
tile_static float total;
if (t_idx.local[0] == 0&& t_idx.local[1] == 0) {
    total = matrix[t_idx];
}
t_idx.barrier.wait();

if (t_idx.local[0] == 0&& t_idx.local[1] == 1) {
    total += matrix[t_idx];
}
t_idx.barrier.wait();

// etc.

メモリフェンス

グローバルメモリのアクセスと tile_static メモリのアクセスの 2 種類のメモリアクセスを同期する必要があります。 concurrency::array のオブジェクトはグローバルメモリのみを割り当てます。 concurrency::array_view は、構築の方法に応じて、グローバルメモリ、tile_static メモリ、またはその両方を参照できます。 2 種類のメモリを同期する必要があります。

グローバルメモリ
tile_static

"メモリフェンス" により、スレッドタイル内の他のスレッドがメモリアクセスを使用できること、およびメモリアクセスがプログラムの順序に従って実行されることが保証されます。これを実現するために、コンパイラとプロセッサは、フェンスを越えて読み取りと書き込みの順序を変更しません。 C++ AMP では、メモリフェンスは、次のいずれかのメソッドを呼び出すことによって作成されます。

tile_barrier::wait メソッド: グローバルメモリと tile_static メモリの両方の周囲にフェンスを作成します。
tile_barrier::wait_with_all_memory_fence メソッド: グローバルメモリと tile_static メモリの両方の周囲にフェンスを作成します。
tile_barrier::wait_with_global_memory_fence メソッド: グローバルメモリの周囲にのみフェンスを作成します。
tile_barrier::wait_with_tile_static_memory_fence メソッド: tile_static メモリの周囲にのみフェンスを作成します。

必要な特定のフェンスを呼び出すことによって、アプリのパフォーマンスが向上する場合があります。バリアの種類は、コンパイラやハードウェアによるステートメントの並べ替えに影響します。たとえば、グローバルメモリフェンスを使用する場合、フェンスはグローバルメモリアクセスにのみ適用されます。このため、コンパイラやハードウェアは、フェンスの両側で tile_static 変数の読み取りや書き込みを並べ替える可能性があります。

次の例では、バリアは tileValues 変数である tile_static への書き込みを同期します。この例では、tile_barrier::wait_with_tile_static_memory_fence の代わりに tile_barrier::wait を呼び出しています。

// Using a tile_static memory fence.
parallel_for_each(matrix.extent.tile<SAMPLESIZE, SAMPLESIZE>(),
    [=, &averages] (tiled_index<SAMPLESIZE, SAMPLESIZE> t_idx) restrict(amp)
{
    // Copy the values of the tile into a tile-sized array.
    tile_static float tileValues[SAMPLESIZE][SAMPLESIZE];
    tileValues[t_idx.local[0]][t_idx.local[1]] = matrix[t_idx];

    // Wait for the tile-sized array to load before calculating the average.
    t_idx.barrier.wait_with_tile_static_memory_fence();

    // If you remove the if statement, then the calculation executes
    // for every thread in the tile, and makes the same assignment to
    // averages each time.
    if (t_idx.local[0] == 0&& t_idx.local[1] == 0) {
        for (int trow = 0; trow <SAMPLESIZE; trow++) {
            for (int tcol = 0; tcol <SAMPLESIZE; tcol++) {
                averages(t_idx.tile[0],t_idx.tile[1]) += tileValues[trow][tcol];
            }
        }
    averages(t_idx.tile[0],t_idx.tile[1]) /= (float) (SAMPLESIZE* SAMPLESIZE);
    }
});

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タイルの使用

グローバル、タイル、およびローカルインデックスの例

タイルの同期: tile_static と tile_barrier::wait

競合状態

メモリフェンス

関連項目

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その他のリソース

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グローバル、タイル、およびローカル インデックスの例

タイルの同期: tile_static と tile_barrier::wait

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メモリ フェンス

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メモリフェンス