Verfügbarkeit: Ein datenparalleler Ansatz zur Beschleunigung von Datenflussanalysen mittels GPU

Ein datenparalleler Ansatz zur Beschleunigung von Datenflussanalysen mittels GPU:

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
1. Verfasser:	Blaß, Thorsten (VerfasserIn)
Format:	Abschlussarbeit Buch
Sprache:	German
Veröffentlicht:	Erlangen FAU University Press 2022
Schriftenreihe:	FAU Studien aus der Informatik Band 17
Schlagworte:	Datenparallelität Compiler Datenflussanalyse Fixpunkt > Datensicherung Fixpunkt Hochschulschrift
Online-Zugang:	Volltext Volltext Volltext Volltext Inhaltsverzeichnis
Beschreibung:	xix, 324 Seiten Diagramme 210 cm x 148 cm
ISBN:	9783961474936 3961474931
DOI:	10.25593/978-3-96147-494-3

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adam_text	INHALTSVERZEICHNIS BILDVERZEICHNIS .................................................................................. XIII TABELLENVERZEICHNIS .......................................................................... XIX 1 EINLEITUNG ................................................................................... I 1.1 LAUFZEITANTEIL DER DATENFLUSSANALYSE AM UEBERSETZUNGS PROZESS ....................................................................... 5 1.2 DIE FIXPUNKTBASIERTE, ITERATIVE DATENFLUSSANALYSE ............ 8 1.3 PARALLELISIERUNGSSTRATEGIE ................................................... IO 1.4 ABLAUF EINER DATENFLUSSANALYSE AM BEISPIEL ..................... 11 1.5 GRAPHIKKARTEN ALS ZIELARCHITEKTUR .................................... 16 1.6 BEITRAG ZUR FORSCHUNG ......................................................... 17 1.7 ENTWURFSENTSCHEIDUNGEN ................................................... 19 1.8 KAPITELUEBERSICHT ................................................................. 20 1.9 VERTRAEGLICHKEIT MIT EIGENEN PUBLIKATIONEN ........................ 21 2 GRUNDLAGEN ................................................................................ 23 2.1 KONTROLLFLUSSGRAPH .............................................................. 23 2.2 FIXPUNKTALGORITHMEN ........................................................ 25 2.3 ITERATIVE DATENFLUSSANALYSE ................................................ 27 2.3.1 TRANSFERFUNKTIONEN ................................................ 29 2.3.2 KONTROLLFLUSSFUNKTIONEN .......................................... 29 2.3.3 ANALYSEBEREICH ........................................................ 30 2.4 REPRAESENTATION DES DATENFLUSSWISSENS .............................. 32 2.4.1 DEZENTRALE SPEICHERUNG .......................................... 32 2.4.2 ZENTRALE SPEICHERUNG ............................................. 34 2.5 STATISCHE EINMALZUWEISUNG ................................................ 35 2.6 ALLZWECKBERECHNUNG AUF GRAFIKPROZESSOREN ..................... 37 2.6.1 GESCHICHTLICHER HINTERGRUND ................................. 37 2.6.2 NVIDIA GPU-ARCHITEKTUR .................................... 38 2.6.3 AUSFUEHRUNGSMODELL ...................................................40 2.6.4 DI E COMPUTE CAPABILITY EINER CUDA-GPU .... 45 2.6.5 CUDA-PROGRAMMIERMODELL ....................................... 46 2.6.6 SPEICHERMODELL ..................................................... 49 VII 2.6.7 BEISPIELPROGRAMM ................................................... 51 2.7 ZUSAMMENFASSUNG ............................................................... 54 3 VERWANDTE ARBEITEN .................................................................. 55 3.1 TECHNIKEN ZUR DURCHFUEHRUNG VON DATENFLUSSANALYSEN . . 55 3.2 ZUSAMMENFASSUNG ............................................................... 59 4 EIN GENERISCHER ANSATZ ZUR DATENPARALLELEN DATENFLUSS ANALYSE .................................................................................... 61 4.1 ARCHITEKTUR ........................................................................... 63 4.2 SPEICHERUNG DES DATENFLUSSWISSENS ................................. 65 4.3 VERWALTUNGSSTRUKTUR ZUR SPEICHERUNG DES DATENFLUSSWIS SENS .......................................................................................... 68 4.3.1 IMPLEMENTIERUNG DES LISTENELEMENTS ......................68 4.3.2 IMPLEMENTIERUNG DER LISTE .................................... 70 4.3.3 IMPLEMENTIERUNG PROPAGATIONSLISTE ..................... 73 4.4 REPRAESENTATION DES KONTROLLFLUSSES .................................... 76 4.4.1 VORUEBERLEGUNGEN ................................................... 76 4.4.2 GRANULARITAET DER GRUNDBLOECKE .............................. 76 4.4.3 STRUKTUR DES KONTROLLFLUSSGRAPHEN ........................ 77 4.4.4 NORMALISIERUNG DES KFG ....................................... 78 4.5 DIE PARCAN-ZWISCHENSPRACHE ............................................. 80 4.5.1 KODIERUNG DES ANWEISUNGSTYPS ........................... 82 4.5.2 KODIERUNG EINER ANWEISUNG ................................. 83 4.6 ERSTELLUNG VON DATENFLUSSANALYSEN .................................... 84 4.6.1 ATTRIBUTE FUER ANALYSEN ..............................................86 4.6.2 REGELTYPEN ............................................................... 87 4.6.3 AUFBAU EINER REGEL ................................................ 88 4.6.4 UEBERSETZUNG EINER ANALYSE .................................... 91 4.7 BEISPIELANALYSEN .................................................................. 94 4.7.1 ESCAPE ANALYSE ......................................................... 95 4.7.2 FLUSS-SENSITIVE ALIAS ANALYSE ..................................... 99 4.7.3 LEBENDIGKEITSANALYSE ............................................... 104 4.7.4 GLOBALE WERTNUMMERIERUNG ................................... 106 4.7.5 ANDERSENS ALIAS ANALYSE ....................................... 111 4.8 GENERISCHER ALGORITHMUS ZUR DATENPARALLELEN DATENFLUSS ANALYSE ........................................................................... 115 4.8.1 STRUKTUR DES PARCAN-RAHMENWERK ........................ 116 VIII 4-8.2 SEQUENTIELLER BASISALGORITHMUS ................................. 117 4.8.3 ERWEITERUNG ZUM DATENPARALLELEN ALGORITHMUS . . 119 4.8.4 SYNCHRONISATION ......................................................... 122 4.9 ZUSAMMENFASSUNG .................................................................. 125 5 VERKLEMMUNGSFREIE KRITISCHE ABSCHNITTE AUF CUDA-FAEHIGEN GPUS ............................................................................................... 129 5.1 TECHNISCHE PROBLEME ............................................................ 133 5.1.1 SIMT-AUSFUEHRUNGSMODELL ....................................... 134 5.1.2 EINPLANER .................................................................... 136 5.2 VERKLEMMUNGSFREIE KRITISCHE ABSCHNITTE AUF DER GPU . . 137 5.3 INSPIZIERTE KRITISCHE ABSCHNITTE ............................................ 140 5.3.1 FUNKTIONSWEISE ........................................................ 142 5.3.2 BENUTZERDEFINIERTE METHODEN ................................. 142 5.3.3 ARBEITSWEISE DER INSPEKTION ................................... 144 5.4 STUFENWEISE REDUKTION DER PARALLELITAET ................................. 145 5.4.1 GITTER-EBENE .............................................................. 149 5.4.2 MULTI-BLOCK-EBENE .................................................. 149 5.4.3 BLOCK-EBENE ............................................................... 151 5.4.4 WARP-EBENE .............................................................. 152 5.5 EVALUATION ............................................................................. 154 5.5.1 TESTUMGEBUNG ........................................................... 154 5.5.2 AUFWAND .................................................................... 157 5.5.3 TESTPROGRAMME ........................................................ 160 5.5.4 VERKLEMMUNGSHAEUFIGKEIT .......................................... 165 5.5.5 LAUFZEITVERGLEICH ..................................................... 167 5.6 BESCHRAENKUNGEN .................................................................... 173 5.7 VERWANDTE ARBEITEN ............................................................... 174 5.8 ZUSAMMENFASSUNG ................................................................. 177 6 EFFIZIENZ VON GRAPHSTRUKTUREN AUF DER GPU ........................... 181 6.1 DATENSTRUKTUREN ZUR GRAPHREPRAESENTATION .......................... 183 6.1.1 ADJAZENZMATRIX ........................................................ 186 6.1.2 BIT-MATRIX ................................................................. 187 6.1.3 KOORDINATEN-FORMAT ............................................... 188 6.1.4 KANTENLISTE ................................................................. 189 6.1.5 KOMPRIMIERTE REIHEN ............................................... 190 6.1.6 KOMPRIMIERTE SPALTEN ................................................ 191 IX 6.1.7 ELLIPTISCHES FORMAT ................................................... 192 6.1.8 HYBRID-FORMAT ............................................................ 193 6.2 AUSTAUSCHFORMATE .................................................................. 195 6.2.1 MATRIX-MARKET-EXCHANGE UND GRAPH-FORMAT . . 195 6.2.2 RUTHERFORD-BOEING-FORMAT ...................................... 196 6.3 TESTPROGRAMME .................................................................... 198 6.3.1 KUERZESTE PFADE ZWISCHEN ALLEN KNOTEN .................... 199 6.3.2 BREITENSUCHE .............................................................. 199 6.3.3 GROESSTE CO-CLIQUE ..................................................... 199 6.3.4 MINIMALER SPANNBAUM ............................................ 199 6.3.5 PAGERANK .................................................................... 200 6.3.6 MATRIX-VEKTOR-MULTIPLIKATION .................................... 201 6.3.7 KUERZESTER PFAD ............................................................ 201 6.3.8 SCHWACH VERBUNDENE KOMPONENTEN ........................ 201 6.4 EINGABEGRAPHEN .................................................................... 202 6.4.1 NETZWERK-GRAPHEN .................................................. 203 6.4.2 VERMASCHTE GRAPHEN ............................................... 203 6.4.3 SKALENFREIE GRAPHEN .................................................. 204 6.5 TESTUMGEBUNG ....................................................................... 204 6.6 VORANALYSE UND REDUKTION DER MESSDATEN .......................... 207 6.7 AUSWERTUNG UND INTERPRETATION DER MESSERGEBNISSE ... 211 6.7.1 ENDE-ZU-ENDE-LAUFZEIT MIT TEXTUELLEN AUSTAUSCH FORMATEN ........................................................ 212 6.7.2 ENDE-ZU-ENDE-LAUFZEIT MIT BINAEREM AUSTAUSCH FORMAT .......................................................... 222 6.7.3 NUR-KERNEL-LAUFZEITEN ............................................ 225 6.7.4 DATENSTRUKTUR ZUR REPRAESENTATION DES KONTROLL FLUSSGRAPHEN 228 6.8 EINSCHRAENKUNGEN UND BESCHRAENKUNG DER VALIDITAET .... 230 6.9 VERWANDTE ARBEITEN .............................................................. 230 6.10 ZUSAMMENFASSUNG ................................................................. 232 7 ADAPTION DER GENERISCHEN DATENPARALLELEN DEA AUF GPUS 235 7.1 NOTWENDIGE VORARBEITEN ........................................................ 239 7.1.1 UEBERSETZUNG VON ANALYSEN ...................................... 239 7.1.2 ACCELERATORCONFIG FUER CUDA ................................... 240 7.2 DARSTELLUNG DES KONTROLLFLUSSGRAPHEN ................................240 X ANPASSUNG DES GENERISCHEN ALGORITHMUS AN CUDA .... 242 7.3.1 ADAPTION DER ANA/YSE-METHODE ................................ 244 7.3.2 ADAPTION DER PROP-METHODE ................................... 246 7.4 OPTIMIERUNGEN ...................................................................... 249 7.4.1 VERMEIDUNG VON NEBENLAEUFIGKEITSFEHLERN ............ 250 7.4.2 TERMINIERUNGSERKENNUNG ......................................... 255 7.4.3 REDUKTION DES KONTROLLFLUSSGRAPHEN ....................... 259 7.4.4 ANWEISUNGSSORTIERUNG ............................................ 262 7.4.5 WARTE-FREIER LASTAUSGLEICH AUF WARP-EBENE . . . . 264 7.5 EVALUATION ............................................................................ 267 7.5.1 HEURISTIKEN ZUR TERMINIERUNGSERKENNUNG .... 270 7.5.2 REDUKTION DES KFG .................................................. 272 7.5.3 ANWEISUNGSSORTIERUNG ............................................ 274 7.5.4 INTRA-WARP LASTAUSGLEICH ......................................... 276 7.5.5 LAUFZEITVERGLEICH ..................................................... 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adam_txt	INHALTSVERZEICHNIS BILDVERZEICHNIS . XIII TABELLENVERZEICHNIS . XIX 1 EINLEITUNG . I 1.1 LAUFZEITANTEIL DER DATENFLUSSANALYSE AM UEBERSETZUNGS PROZESS . 5 1.2 DIE FIXPUNKTBASIERTE, ITERATIVE DATENFLUSSANALYSE . 8 1.3 PARALLELISIERUNGSSTRATEGIE . IO 1.4 ABLAUF EINER DATENFLUSSANALYSE AM BEISPIEL . 11 1.5 GRAPHIKKARTEN ALS ZIELARCHITEKTUR . 16 1.6 BEITRAG ZUR FORSCHUNG . 17 1.7 ENTWURFSENTSCHEIDUNGEN . 19 1.8 KAPITELUEBERSICHT . 20 1.9 VERTRAEGLICHKEIT MIT EIGENEN PUBLIKATIONEN . 21 2 GRUNDLAGEN . 23 2.1 KONTROLLFLUSSGRAPH . 23 2.2 FIXPUNKTALGORITHMEN . 25 2.3 ITERATIVE DATENFLUSSANALYSE . 27 2.3.1 TRANSFERFUNKTIONEN . 29 2.3.2 KONTROLLFLUSSFUNKTIONEN . 29 2.3.3 ANALYSEBEREICH . 30 2.4 REPRAESENTATION DES DATENFLUSSWISSENS . 32 2.4.1 DEZENTRALE SPEICHERUNG . 32 2.4.2 ZENTRALE SPEICHERUNG . 34 2.5 STATISCHE EINMALZUWEISUNG . 35 2.6 ALLZWECKBERECHNUNG AUF GRAFIKPROZESSOREN . 37 2.6.1 GESCHICHTLICHER HINTERGRUND . 37 2.6.2 NVIDIA GPU-ARCHITEKTUR . 38 2.6.3 AUSFUEHRUNGSMODELL .40 2.6.4 DI E COMPUTE CAPABILITY EINER CUDA-GPU . 45 2.6.5 CUDA-PROGRAMMIERMODELL . 46 2.6.6 SPEICHERMODELL . 49 VII 2.6.7 BEISPIELPROGRAMM . 51 2.7 ZUSAMMENFASSUNG . 54 3 VERWANDTE ARBEITEN . 55 3.1 TECHNIKEN ZUR DURCHFUEHRUNG VON DATENFLUSSANALYSEN . . 55 3.2 ZUSAMMENFASSUNG . 59 4 EIN GENERISCHER ANSATZ ZUR DATENPARALLELEN DATENFLUSS ANALYSE . 61 4.1 ARCHITEKTUR . 63 4.2 SPEICHERUNG DES DATENFLUSSWISSENS . 65 4.3 VERWALTUNGSSTRUKTUR ZUR SPEICHERUNG DES DATENFLUSSWIS SENS . 68 4.3.1 IMPLEMENTIERUNG DES LISTENELEMENTS .68 4.3.2 IMPLEMENTIERUNG DER LISTE . 70 4.3.3 IMPLEMENTIERUNG PROPAGATIONSLISTE . 73 4.4 REPRAESENTATION DES KONTROLLFLUSSES . 76 4.4.1 VORUEBERLEGUNGEN . 76 4.4.2 GRANULARITAET DER GRUNDBLOECKE . 76 4.4.3 STRUKTUR DES KONTROLLFLUSSGRAPHEN . 77 4.4.4 NORMALISIERUNG DES KFG . 78 4.5 DIE PARCAN-ZWISCHENSPRACHE . 80 4.5.1 KODIERUNG DES ANWEISUNGSTYPS . 82 4.5.2 KODIERUNG EINER ANWEISUNG . 83 4.6 ERSTELLUNG VON DATENFLUSSANALYSEN . 84 4.6.1 ATTRIBUTE FUER ANALYSEN .86 4.6.2 REGELTYPEN . 87 4.6.3 AUFBAU EINER REGEL . 88 4.6.4 UEBERSETZUNG EINER ANALYSE . 91 4.7 BEISPIELANALYSEN . 94 4.7.1 ESCAPE ANALYSE . 95 4.7.2 FLUSS-SENSITIVE ALIAS ANALYSE . 99 4.7.3 LEBENDIGKEITSANALYSE . 104 4.7.4 GLOBALE WERTNUMMERIERUNG . 106 4.7.5 ANDERSENS ALIAS ANALYSE . 111 4.8 GENERISCHER ALGORITHMUS ZUR DATENPARALLELEN DATENFLUSS ANALYSE . 115 4.8.1 STRUKTUR DES PARCAN-RAHMENWERK . 116 VIII 4-8.2 SEQUENTIELLER BASISALGORITHMUS . 117 4.8.3 ERWEITERUNG ZUM DATENPARALLELEN ALGORITHMUS . . 119 4.8.4 SYNCHRONISATION . 122 4.9 ZUSAMMENFASSUNG . 125 5 VERKLEMMUNGSFREIE KRITISCHE ABSCHNITTE AUF CUDA-FAEHIGEN GPUS . 129 5.1 TECHNISCHE PROBLEME . 133 5.1.1 SIMT-AUSFUEHRUNGSMODELL . 134 5.1.2 EINPLANER . 136 5.2 VERKLEMMUNGSFREIE KRITISCHE ABSCHNITTE AUF DER GPU . . 137 5.3 INSPIZIERTE KRITISCHE ABSCHNITTE . 140 5.3.1 FUNKTIONSWEISE . 142 5.3.2 BENUTZERDEFINIERTE METHODEN . 142 5.3.3 ARBEITSWEISE DER INSPEKTION . 144 5.4 STUFENWEISE REDUKTION DER PARALLELITAET . 145 5.4.1 GITTER-EBENE . 149 5.4.2 MULTI-BLOCK-EBENE . 149 5.4.3 BLOCK-EBENE . 151 5.4.4 WARP-EBENE . 152 5.5 EVALUATION . 154 5.5.1 TESTUMGEBUNG . 154 5.5.2 AUFWAND . 157 5.5.3 TESTPROGRAMME . 160 5.5.4 VERKLEMMUNGSHAEUFIGKEIT . 165 5.5.5 LAUFZEITVERGLEICH . 167 5.6 BESCHRAENKUNGEN . 173 5.7 VERWANDTE ARBEITEN . 174 5.8 ZUSAMMENFASSUNG . 177 6 EFFIZIENZ VON GRAPHSTRUKTUREN AUF DER GPU . 181 6.1 DATENSTRUKTUREN ZUR GRAPHREPRAESENTATION . 183 6.1.1 ADJAZENZMATRIX . 186 6.1.2 BIT-MATRIX . 187 6.1.3 KOORDINATEN-FORMAT . 188 6.1.4 KANTENLISTE . 189 6.1.5 KOMPRIMIERTE REIHEN . 190 6.1.6 KOMPRIMIERTE SPALTEN . 191 IX 6.1.7 ELLIPTISCHES FORMAT . 192 6.1.8 HYBRID-FORMAT . 193 6.2 AUSTAUSCHFORMATE . 195 6.2.1 MATRIX-MARKET-EXCHANGE UND GRAPH-FORMAT . . 195 6.2.2 RUTHERFORD-BOEING-FORMAT . 196 6.3 TESTPROGRAMME . 198 6.3.1 KUERZESTE PFADE ZWISCHEN ALLEN KNOTEN . 199 6.3.2 BREITENSUCHE . 199 6.3.3 GROESSTE CO-CLIQUE . 199 6.3.4 MINIMALER SPANNBAUM . 199 6.3.5 PAGERANK . 200 6.3.6 MATRIX-VEKTOR-MULTIPLIKATION . 201 6.3.7 KUERZESTER PFAD . 201 6.3.8 SCHWACH VERBUNDENE KOMPONENTEN . 201 6.4 EINGABEGRAPHEN . 202 6.4.1 NETZWERK-GRAPHEN . 203 6.4.2 VERMASCHTE GRAPHEN . 203 6.4.3 SKALENFREIE GRAPHEN . 204 6.5 TESTUMGEBUNG . 204 6.6 VORANALYSE UND REDUKTION DER MESSDATEN . 207 6.7 AUSWERTUNG UND INTERPRETATION DER MESSERGEBNISSE . 211 6.7.1 ENDE-ZU-ENDE-LAUFZEIT MIT TEXTUELLEN AUSTAUSCH FORMATEN . 212 6.7.2 ENDE-ZU-ENDE-LAUFZEIT MIT BINAEREM AUSTAUSCH FORMAT . 222 6.7.3 NUR-KERNEL-LAUFZEITEN . 225 6.7.4 DATENSTRUKTUR ZUR REPRAESENTATION DES KONTROLL FLUSSGRAPHEN 228 6.8 EINSCHRAENKUNGEN UND BESCHRAENKUNG DER VALIDITAET . 230 6.9 VERWANDTE ARBEITEN . 230 6.10 ZUSAMMENFASSUNG . 232 7 ADAPTION DER GENERISCHEN DATENPARALLELEN DEA AUF GPUS 235 7.1 NOTWENDIGE VORARBEITEN . 239 7.1.1 UEBERSETZUNG VON ANALYSEN . 239 7.1.2 ACCELERATORCONFIG FUER CUDA . 240 7.2 DARSTELLUNG DES KONTROLLFLUSSGRAPHEN .240 X ANPASSUNG DES GENERISCHEN ALGORITHMUS AN CUDA . 242 7.3.1 ADAPTION DER ANA/YSE-METHODE . 244 7.3.2 ADAPTION DER PROP-METHODE . 246 7.4 OPTIMIERUNGEN . 249 7.4.1 VERMEIDUNG VON NEBENLAEUFIGKEITSFEHLERN . 250 7.4.2 TERMINIERUNGSERKENNUNG . 255 7.4.3 REDUKTION DES KONTROLLFLUSSGRAPHEN . 259 7.4.4 ANWEISUNGSSORTIERUNG . 262 7.4.5 WARTE-FREIER LASTAUSGLEICH AUF WARP-EBENE . . . . 264 7.5 EVALUATION . 267 7.5.1 HEURISTIKEN ZUR TERMINIERUNGSERKENNUNG . 270 7.5.2 REDUKTION DES KFG . 272 7.5.3 ANWEISUNGSSORTIERUNG . 274 7.5.4 INTRA-WARP LASTAUSGLEICH . 276 7.5.5 LAUFZEITVERGLEICH . TQQ 7.5.6 ENDE-ZU-ENDE-LAUFZEIT . 280 7.6 VERWANDTE ARBEITEN . 282 7.7 ZUSAMMENFASSUNG . 286 8 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK . 291 8.1 ZUSAMMENFASSUNG . 291 8.2 AUSBLICK . 299 8.3 ALLGEMEINE ANPASSUNGEN . 299 8.3.1 IKA-RAHMENWERK . 300 8.3.2 PARCAN-RAHMENWERK . 301 LISTE DER EIGENEN PUBLIKATIONEN . 305 LITERATURVERZEICHNIS . 309 XI
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