Vectorization system for unstructured codes with a Data-parallel Compiler IR

With Dennard Scaling coming to an end, Single Instruction Multiple Data (SIMD) offers itself as a way to improve the compute throughput of CPUs. One fundamental technique in SIMD code generators is the vectorization of data-parallel code regions. This has applications in outer-loop vectorization, whole-function vectorization and vectorization of explicitly data-parallel languages. This thesis makes contributions to the reliable vectorization of data-parallel code regions with unstructured, reducible control flow. Reducibility is the case in practice where all control-flow loops have exactly one entry point. We present P-LLVM, a novel, full-featured, intermediate representation for vectorizers that provides a semantics for the code region at every stage of the vectorization pipeline. Partial control-flow linearization is a novel partial if-conversion scheme, an essential technique to vectorize divergent control flow. Different to prior techniques, partial linearization has linear running time, does not insert additional branches or blocks and gives proved guarantees on the control flow retained. Divergence of control induces value divergence at join points in the control-flow graph (CFG). We present a novel control-divergence analysis for directed acyclic graphs with optimal running time and prove that it is correct and precise under common static assumptions. We extend this technique to obtain a quadratic-time, control-divergence analysis for arbitrary reducible CFGs. For this analysis, we show on a range of realistic examples how earlier approaches are either less precise or incorrect. We present a feature-complete divergence analysis for P-LLVM programs. The analysis is the first to analyze stack-allocated objects in an unstructured control setting. Finally, we generalize single-dimensional vectorization of outer loops to multi-dimensional tensorization of loop nests. SIMD targets benefit from tensorization through more opportunities for re-use of loaded values and more efficient memory access behavior. The techniques were implemented in the Region Vectorizer (RV) for vectorization and TensorRV for loop-nest tensorization. Our evaluation validates that the general-purpose RV vectorization system matches the performance of more specialized approaches. RV performs on par with the ISPC compiler, which only supports its structured domain-specific language, on a range of tree traversal codes with complex control flow. RV is able to outperform the loop vectorizers of state-of-the-art compilers, as we show for the SPEC2017 nab_s benchmark and the XSBench proxy application.Mit dem Ausreizen des Dennard Scalings erreichen die gewohnten Zuwächse in der skalaren Rechenleistung zusehends ihr Ende. Moderne Prozessoren setzen verstärkt auf parallele Berechnung, um den Rechendurchsatz zu erhöhen. Hierbei spielen SIMD Instruktionen (Single Instruction Multiple Data), die eine Operation gleichzeitig auf mehrere Eingaben anwenden, eine zentrale Rolle. Eine fundamentale Technik, um SIMD Programmcode zu erzeugen, ist der Einsatz datenparalleler Vektorisierung. Diese unterliegt populären Verfahren, wie der Vektorisierung äußerer Schleifen, der Vektorisierung gesamter Funktionen bis hin zu explizit datenparallelen Programmiersprachen. Der Beitrag der vorliegenden Arbeit besteht darin, ein zuverlässiges Vektorisierungssystem für datenparallelen Code mit reduziblem Steuerfluss zu entwickeln. Diese Anforderung ist für alle Steuerflussgraphen erfüllt, deren Schleifen nur einen Eingang haben, was in der Praxis der Fall ist. Wir präsentieren P-LLVM, eine ausdrucksstarke Zwischendarstellung für Vektorisierer, welche dem Programm in jedem Stadium der Transformation von datenparallelem Code zu SIMD Code eine definierte Semantik verleiht. Partielle Steuerfluss-Linearisierung ist ein neuer Algorithmus zur If-Conversion, welcher Sprünge erhalten kann. Anders als existierende Verfahren hat Partielle Linearisierung eine lineare Laufzeit und fügt keine neuen Sprünge oder Blöcke ein. Wir zeigen Kriterien, unter denen der Algorithmus Steuerfluss erhält, und beweisen diese. Steuerflussdivergenz induziert Divergenz an Punkten zusammenfließenden Steuerflusses. Wir stellen eine neue Steuerflussdivergenzanalyse für azyklische Graphen mit optimaler Laufzeit vor und beweisen deren Korrektheit und Präzision. Wir verallgemeinern die Technik zu einem Algorithmus mit quadratischer Laufzeit für beliebiege, reduzible Steuerflussgraphen. Eine Studie auf realistischen Beispielgraphen zeigt, dass vergleichbare Techniken entweder weniger präsize sind oder falsche Ergebnisse liefern. Ebenfalls präsentieren wir eine Divergenzanalyse für P-LLVM Programme. Diese Analyse ist die erste Divergenzanalyse, welche Divergenz in stapelallokierten Objekten unter unstrukturiertem Steuerfluss analysiert. Schließlich generalisieren wir die eindimensionale Vektorisierung von äußeren Schleifen zur multidimensionalen Tensorisierung von Schleifennestern. Tensorisierung eröffnet für SIMD Prozessoren mehr Möglichkeiten, bereits geladene Werte wiederzuverwenden und das Speicherzugriffsverhalten des Programms zu optimieren, als dies mit Vektorisierung der Fall ist. Die vorgestellten Techniken wurden in den Region Vectorizer (RV) für Vektorisierung und TensorRV für die Tensorisierung von Schleifennestern implementiert. Wir zeigen auf einer Reihe von steuerflusslastigen Programmen für die Traversierung von Baumdatenstrukturen, dass RV das gleiche Niveau erreicht wie der ISPC Compiler, welcher nur seine strukturierte Eingabesprache verarbeiten kann. RV kann schnellere SIMD-Programme erzeugen als die Schleifenvektorisierer in aktuellen Industriecompilern. Dies demonstrieren wir mit dem nab_s benchmark aus der SPEC2017 Benchmarksuite und der XSBench Proxy-Anwendung