WebGL കമ്പ്യൂട്ട് ഷേഡർ വർക്ക് ഡിസ്ട്രിബ്യൂഷൻ: ജിപിയു ത്രെഡ് അസൈൻമെൻ്റിനെക്കുറിച്ചൊരു ആഴത്തിലുള്ള പഠനം

വെബ്ജിഎല്ലിലെ കമ്പ്യൂട്ട് ഷേഡറുകൾ, വെബ് ബ്രൗസറിനുള്ളിൽ തന്നെ പൊതുവായ കമ്പ്യൂട്ടേഷൻ (GPGPU) ജോലികൾക്കായി ജിപിയുവിൻ്റെ പാരലൽ പ്രോസസ്സിംഗ് കഴിവുകൾ പ്രയോജനപ്പെടുത്താൻ ശക്തമായ ഒരു മാർഗ്ഗം നൽകുന്നു. കാര്യക്ഷമവും ഉയർന്ന പ്രകടനവുമുള്ള കമ്പ്യൂട്ട് കേർണലുകൾ എഴുതുന്നതിന്, ഓരോ ജിപിയു ത്രെഡിലേക്കും എങ്ങനെയാണ് ജോലി വിതരണം ചെയ്യുന്നതെന്ന് മനസ്സിലാക്കുന്നത് നിർണ്ണായകമാണ്. ഈ ലേഖനം WebGL കമ്പ്യൂട്ട് ഷേഡറുകളിലെ വർക്ക് ഡിസ്ട്രിബ്യൂഷനെക്കുറിച്ച് സമഗ്രമായ ഒരു പര്യവേക്ഷണം നൽകുന്നു, അതിലെ അടിസ്ഥാന ആശയങ്ങൾ, ത്രെഡ് അസൈൻമെൻ്റ് രീതികൾ, ഒപ്റ്റിമൈസേഷൻ ടെക്നിക്കുകൾ എന്നിവ ഉൾക്കൊള്ളുന്നു.

കമ്പ്യൂട്ട് ഷേഡർ എക്സിക്യൂഷൻ മോഡൽ മനസ്സിലാക്കാം

വർക്ക് ഡിസ്ട്രിബ്യൂഷനിലേക്ക് കടക്കുന്നതിന് മുമ്പ്, വെബ്ജിഎല്ലിലെ കമ്പ്യൂട്ട് ഷേഡർ എക്സിക്യൂഷൻ മോഡലിനെക്കുറിച്ച് ഒരു അടിസ്ഥാന ധാരണയുണ്ടാക്കാം. ഈ മോഡൽ ശ്രേണീകൃതമാണ്, അതിൽ നിരവധി പ്രധാന ഘടകങ്ങൾ അടങ്ങിയിരിക്കുന്നു:

• കമ്പ്യൂട്ട് ഷേഡർ: ജിപിയുവിൽ പ്രവർത്തിപ്പിക്കുന്ന പ്രോഗ്രാം, ഇതിൽ പാരലൽ കമ്പ്യൂട്ടേഷനുള്ള ലോജിക് അടങ്ങിയിരിക്കുന്നു.
• വർക്ക്ഗ്രൂപ്പ്: ഒരുമിച്ച് പ്രവർത്തിക്കുകയും ഷെയേർഡ് ലോക്കൽ മെമ്മറി വഴി ഡാറ്റ പങ്കിടുകയും ചെയ്യാൻ കഴിയുന്ന വർക്ക് ഐറ്റങ്ങളുടെ ഒരു കൂട്ടം. ഒരു വലിയ ജോലിയുടെ ഒരു ഭാഗം ചെയ്യുന്ന ഒരു കൂട്ടം തൊഴിലാളികളായി ഇതിനെ കരുതാം.
• വർക്ക് ഐറ്റം: കമ്പ്യൂട്ട് ഷേഡറിന്റെ ഓരോ ഇൻസ്റ്റൻസും, ഇത് ഒരൊറ്റ ജിപിയു ത്രെഡിനെ പ്രതിനിധീകരിക്കുന്നു. ഓരോ വർക്ക് ഐറ്റവും ഒരേ ഷേഡർ കോഡ് പ്രവർത്തിപ്പിക്കുന്നു, പക്ഷേ വ്യത്യസ്ത ഡാറ്റയിലായിരിക്കാം പ്രവർത്തിക്കുന്നത്. ഇതാണ് ടീമിലെ ഓരോ തൊഴിലാളിയും.
• ഗ്ലോബൽ ഇൻവോക്കേഷൻ ഐഡി: മുഴുവൻ കമ്പ്യൂട്ട് ഡിസ്പാച്ചിലുടനീളമുള്ള ഓരോ വർക്ക് ഐറ്റത്തിനും വേണ്ടിയുള്ള ഒരു യുണീക്ക് ഐഡൻ്റിഫയർ.
• ലോക്കൽ ഇൻവോക്കേഷൻ ഐഡി: ഓരോ വർക്ക് ഐറ്റത്തിനും അതിൻ്റെ വർക്ക്ഗ്രൂപ്പിനുള്ളിലുള്ള ഒരു യുണീക്ക് ഐഡൻ്റിഫയർ.
• വർക്ക്ഗ്രൂപ്പ് ഐഡി: കമ്പ്യൂട്ട് ഡിസ്പാച്ചിലെ ഓരോ വർക്ക്ഗ്രൂപ്പിനുമുള്ള ഒരു യുണീക്ക് ഐഡൻ്റിഫയർ.

നിങ്ങൾ ഒരു കമ്പ്യൂട്ട് ഷേഡർ ഡിസ്പാച്ച് ചെയ്യുമ്പോൾ, നിങ്ങൾ വർക്ക്ഗ്രൂപ്പ് ഗ്രിഡിൻ്റെ ഡൈമൻഷനുകൾ വ്യക്തമാക്കുന്നു. ഈ ഗ്രിഡ് എത്ര വർക്ക്ഗ്രൂപ്പുകൾ ഉണ്ടാക്കുമെന്നും ഓരോ വർക്ക്ഗ്രൂപ്പിലും എത്ര വർക്ക് ഐറ്റങ്ങൾ ഉണ്ടാകുമെന്നും നിർവചിക്കുന്നു. ഉദാഹരണത്തിന്, dispatchCompute(16, 8, 4) എന്നൊരു ഡിസ്പാച്ച് 16x8x4 ഡൈമൻഷനുകളുള്ള ഒരു 3D ഗ്രിഡ് വർക്ക്ഗ്രൂപ്പുകൾ ഉണ്ടാക്കും. ഈ വർക്ക്ഗ്രൂപ്പുകളിൽ ഓരോന്നിലും മുൻകൂട്ടി നിശ്ചയിച്ച എണ്ണം വർക്ക് ഐറ്റങ്ങൾ ഉണ്ടായിരിക്കും.

വർക്ക്ഗ്രൂപ്പ് വലുപ്പം കോൺഫിഗർ ചെയ്യുന്നു

വർക്ക്ഗ്രൂപ്പിൻ്റെ വലുപ്പം കമ്പ്യൂട്ട് ഷേഡർ സോഴ്സ് കോഡിൽ layout ക്വാളിഫയർ ഉപയോഗിച്ച് നിർവചിക്കുന്നു:

            layout (local_size_x = 8, local_size_y = 8, local_size_z = 1) in;
            

              
                Copy
              
            
          

ഈ ഡിക്ലറേഷൻ വ്യക്തമാക്കുന്നത് ഓരോ വർക്ക്ഗ്രൂപ്പിലും 8 * 8 * 1 = 64 വർക്ക് ഐറ്റങ്ങൾ ഉണ്ടാകുമെന്നാണ്. local_size_x, local_size_y, local_size_z എന്നിവയുടെ മൂല്യങ്ങൾ കോൺസ്റ്റൻ്റ് എക്സ്പ്രഷനുകളായിരിക്കണം, സാധാരണയായി 2-ൻ്റെ ഘാതങ്ങളായിരിക്കും. പരമാവധി വർക്ക്ഗ്രൂപ്പ് വലുപ്പം ഹാർഡ്‌വെയറിനെ ആശ്രയിച്ചിരിക്കുന്നു, ഇത് gl.getParameter(gl.MAX_COMPUTE_WORK_GROUP_INVOCATIONS) ഉപയോഗിച്ച് കണ്ടെത്താനാകും. കൂടാതെ, ഒരു വർക്ക്ഗ്രൂപ്പിന്റെ ഓരോ ഡൈമൻഷനുകൾക്കും പരിധികളുണ്ട്, അത് gl.getParameter(gl.MAX_COMPUTE_WORK_GROUP_SIZE) ഉപയോഗിച്ച് കണ്ടെത്താം, ഇത് X, Y, Z ഡൈമൻഷനുകളുടെ പരമാവധി വലുപ്പത്തെ പ്രതിനിധീകരിക്കുന്ന മൂന്ന് സംഖ്യകളുടെ ഒരു അറേ നൽകുന്നു.

ഉദാഹരണം: പരമാവധി വർക്ക്ഗ്രൂപ്പ് വലുപ്പം കണ്ടെത്തുന്നു

            const maxWorkGroupInvocations = gl.getParameter(gl.MAX_COMPUTE_WORK_GROUP_INVOCATIONS);
const maxWorkGroupSize = gl.getParameter(gl.MAX_COMPUTE_WORK_GROUP_SIZE);

console.log("Maximum workgroup invocations: ", maxWorkGroupInvocations);
console.log("Maximum workgroup size: ", maxWorkGroupSize); // Output: [1024, 1024, 64]

            

              
                Copy
              
            
          

പ്രകടനത്തിന് അനുയോജ്യമായ വർക്ക്ഗ്രൂപ്പ് വലുപ്പം തിരഞ്ഞെടുക്കുന്നത് നിർണ്ണായകമാണ്. ചെറിയ വർക്ക്ഗ്രൂപ്പുകൾ ജിപിയു-വിൻ്റെ പാരലലിസം പൂർണ്ണമായി ഉപയോഗിച്ചേക്കില്ല, അതേസമയം വലിയ വർക്ക്ഗ്രൂപ്പുകൾ ഹാർഡ്‌വെയർ പരിമിതികൾ കവിയുകയോ കാര്യക്ഷമമല്ലാത്ത മെമ്മറി ആക്‌സസ് പാറ്റേണുകളിലേക്ക് നയിക്കുകയോ ചെയ്യാം. ഒരു പ്രത്യേക കമ്പ്യൂട്ട് കേർണലിനും ടാർഗെറ്റ് ഹാർഡ്‌വെയറിനും അനുയോജ്യമായ വർക്ക്ഗ്രൂപ്പ് വലുപ്പം നിർണ്ണയിക്കാൻ പലപ്പോഴും പരീക്ഷണം ആവശ്യമാണ്. രണ്ടിൻ്റെ ഘാതങ്ങളായ വർക്ക്ഗ്രൂപ്പ് വലുപ്പങ്ങൾ (ഉദാ. 4, 8, 16, 32, 64) പരീക്ഷിച്ചുനോക്കുകയും പ്രകടനത്തിൽ അവയുടെ സ്വാധീനം വിശകലനം ചെയ്യുകയും ചെയ്യുന്നത് ഒരു നല്ല തുടക്കമാണ്.

ജിപിയു ത്രെഡ് അസൈൻമെൻ്റും ഗ്ലോബൽ ഇൻവോക്കേഷൻ ഐഡിയും

ഒരു കമ്പ്യൂട്ട് ഷേഡർ ഡിസ്പാച്ച് ചെയ്യുമ്പോൾ, ഓരോ വർക്ക് ഐറ്റത്തിനും ഒരു പ്രത്യേക ജിപിയു ത്രെഡ് നൽകേണ്ടത് WebGL ഇംപ്ലിമെൻ്റേഷൻ്റെ ഉത്തരവാദിത്തമാണ്. ഓരോ വർക്ക് ഐറ്റവും അതിൻ്റെ ഗ്ലോബൽ ഇൻവോക്കേഷൻ ഐഡി ഉപയോഗിച്ച് തിരിച്ചറിയുന്നു. ഇത് ഒരു 3D വെക്ടറാണ്, അത് മുഴുവൻ കമ്പ്യൂട്ട് ഡിസ്പാച്ച് ഗ്രിഡിലെ അതിൻ്റെ സ്ഥാനത്തെ പ്രതിനിധീകരിക്കുന്നു. ഈ ഐഡി കമ്പ്യൂട്ട് ഷേഡറിനുള്ളിൽ ബിൽറ്റ്-ഇൻ GLSL വേരിയബിളായ gl_GlobalInvocationID ഉപയോഗിച്ച് ആക്സസ് ചെയ്യാൻ കഴിയും.

gl_WorkGroupID, gl_LocalInvocationID എന്നിവയിൽ നിന്നാണ് gl_GlobalInvocationID കണക്കാക്കുന്നത്, താഴെ പറയുന്ന ഫോർമുല ഉപയോഗിച്ച്:

            gl_GlobalInvocationID = gl_WorkGroupID * gl_WorkGroupSize + gl_LocalInvocationID;
            

              
                Copy
              
            
          

ഇവിടെ gl_WorkGroupSize എന്നത് layout ക്വാളിഫയറിൽ വ്യക്തമാക്കിയ വർക്ക്ഗ്രൂപ്പ് വലുപ്പമാണ്. ഈ ഫോർമുല വർക്ക്ഗ്രൂപ്പ് ഗ്രിഡും ഓരോ വർക്ക് ഐറ്റവും തമ്മിലുള്ള ബന്ധം എടുത്തു കാണിക്കുന്നു. ഓരോ വർക്ക്ഗ്രൂപ്പിനും ഒരു യുണീക്ക് ഐഡി (gl_WorkGroupID) നൽകുന്നു, ആ വർക്ക്ഗ്രൂപ്പിലെ ഓരോ വർക്ക് ഐറ്റത്തിനും ഒരു യുണീക്ക് ലോക്കൽ ഐഡി (gl_LocalInvocationID) നൽകുന്നു. ഈ രണ്ട് ഐഡികളും ചേർത്താണ് ഗ്ലോബൽ ഐഡി കണക്കാക്കുന്നത്.

ഉദാഹരണം: ഗ്ലോബൽ ഇൻവോക്കേഷൻ ഐഡി ആക്സസ് ചെയ്യുന്നു

            #version 450

layout (local_size_x = 8, local_size_y = 8, local_size_z = 1) in;

layout (binding = 0) buffer DataBuffer {
    float data[];
} outputData;

void main() {
    uint index = gl_GlobalInvocationID.x + gl_GlobalInvocationID.y * gl_NumWorkGroups.x * gl_WorkGroupSize.x;
    outputData.data[index] = float(index);
}
            

              
                Copy
              
            
          

ഈ ഉദാഹരണത്തിൽ, ഓരോ വർക്ക് ഐറ്റവും gl_GlobalInvocationID ഉപയോഗിച്ച് outputData ബഫറിലേക്കുള്ള അതിൻ്റെ ഇൻഡെക്സ് കണക്കാക്കുന്നു. ഒരു വലിയ ഡാറ്റാസെറ്റിൽ ജോലി വിതരണം ചെയ്യുന്നതിനുള്ള ഒരു സാധാരണ രീതിയാണിത്. `uint index = gl_GlobalInvocationID.x + gl_GlobalInvocationID.y * gl_NumWorkGroups.x * gl_WorkGroupSize.x;` എന്ന വരി നിർണ്ണായകമാണ്. നമുക്കിത് വിശദമായി പരിശോധിക്കാം:

• gl_GlobalInvocationID.x ഗ്ലോബൽ ഗ്രിഡിലെ വർക്ക് ഐറ്റത്തിന്റെ എക്സ്-കോർഡിനേറ്റ് നൽകുന്നു.
• gl_GlobalInvocationID.y ഗ്ലോബൽ ഗ്രിഡിലെ വർക്ക് ഐറ്റത്തിന്റെ വൈ-കോർഡിനേറ്റ് നൽകുന്നു.
• gl_NumWorkGroups.x എക്സ്-ഡൈമൻഷനിലെ ആകെ വർക്ക്ഗ്രൂപ്പുകളുടെ എണ്ണം നൽകുന്നു.
• gl_WorkGroupSize.x ഓരോ വർക്ക്ഗ്രൂപ്പിലെയും എക്സ്-ഡൈമൻഷനിലുള്ള വർക്ക് ഐറ്റങ്ങളുടെ എണ്ണം നൽകുന്നു.

ഈ മൂല്യങ്ങൾ ഒരുമിച്ച്, ഫ്ലാറ്റൻ ചെയ്ത ഔട്ട്പുട്ട് ഡാറ്റാ അറേക്കുള്ളിൽ ഓരോ വർക്ക് ഐറ്റത്തിനും അതിൻ്റെ യുണീക്ക് ഇൻഡെക്സ് കണക്കാക്കാൻ അനുവദിക്കുന്നു. നിങ്ങൾ ഒരു 3D ഡാറ്റാ സ്ട്രക്ച്ചറുമായാണ് പ്രവർത്തിക്കുന്നതെങ്കിൽ, ഇൻഡെക്സ് കണക്കുകൂട്ടലിൽ gl_GlobalInvocationID.z, gl_NumWorkGroups.y, gl_WorkGroupSize.y, gl_NumWorkGroups.z, gl_WorkGroupSize.z എന്നിവയും ഉൾപ്പെടുത്തേണ്ടതുണ്ട്.

മെമ്മറി ആക്‌സസ് പാറ്റേണുകളും കോലെസ്ഡ് മെമ്മറി ആക്‌സസ്സും

വർക്ക് ഐറ്റങ്ങൾ മെമ്മറി ആക്‌സസ് ചെയ്യുന്ന രീതി പ്രകടനത്തെ കാര്യമായി സ്വാധീനിക്കും. അനുയോജ്യമായ സാഹചര്യത്തിൽ, ഒരു വർക്ക്ഗ്രൂപ്പിലെ വർക്ക് ഐറ്റങ്ങൾ തുടർച്ചയായ മെമ്മറി ലൊക്കേഷനുകൾ ആക്‌സസ് ചെയ്യണം. ഇതിനെ കോലെസ്ഡ് മെമ്മറി ആക്‌സസ് എന്ന് പറയുന്നു, ഇത് വലിയ ഭാഗങ്ങളായി ഡാറ്റ കാര്യക്ഷമമായി ലഭ്യമാക്കാൻ ജിപിയുവിനെ അനുവദിക്കുന്നു. മെമ്മറി ആക്‌സസ് ചിതറിയോ തുടർച്ചയില്ലാത്തതോ ആകുമ്പോൾ, ജിപിയുവിന് നിരവധി ചെറിയ മെമ്മറി ട്രാൻസാക്ഷനുകൾ നടത്തേണ്ടി വന്നേക്കാം, ഇത് പ്രകടനത്തിലെ തടസ്സങ്ങൾക്ക് കാരണമാകും.

കോലെസ്ഡ് മെമ്മറി ആക്‌സസ് നേടുന്നതിന്, മെമ്മറിയിലെ ഡാറ്റയുടെ ലേഔട്ടും വർക്ക് ഐറ്റങ്ങൾ ഡാറ്റാ എലമെൻ്റുകളിലേക്ക് എങ്ങനെ നൽകുന്നു എന്നതും ശ്രദ്ധാപൂർവ്വം പരിഗണിക്കേണ്ടത് പ്രധാനമാണ്. ഉദാഹരണത്തിന്, ഒരു 2D ഇമേജ് പ്രോസസ്സ് ചെയ്യുമ്പോൾ, ഒരേ വരിയിലെ അടുത്തടുത്തുള്ള പിക്സലുകളിലേക്ക് വർക്ക് ഐറ്റങ്ങൾ നൽകുന്നത് കോലെസ്ഡ് മെമ്മറി ആക്‌സസ്സിലേക്ക് നയിച്ചേക്കാം.

ഉദാഹരണം: ഇമേജ് പ്രോസസ്സിംഗിനായി കോലെസ്ഡ് മെമ്മറി ആക്‌സസ്

            #version 450

layout (local_size_x = 16, local_size_y = 16, local_size_z = 1) in;

layout (binding = 0) uniform sampler2D inputImage;
layout (binding = 1) writeonly uniform image2D outputImage;

void main() {
    ivec2 pixelCoord = ivec2(gl_GlobalInvocationID.xy);
    vec4 pixelColor = texture(inputImage, vec2(pixelCoord) / textureSize(inputImage, 0));

    // Perform some image processing operation (e.g., grayscale conversion)
    float gray = dot(pixelColor.rgb, vec3(0.299, 0.587, 0.114));
    vec4 outputColor = vec4(gray, gray, gray, pixelColor.a);

    imageStore(outputImage, pixelCoord, outputColor);
}
            

              
                Copy
              
            
          

ഈ ഉദാഹരണത്തിൽ, ഓരോ വർക്ക് ഐറ്റവും ചിത്രത്തിലെ ഒരൊറ്റ പിക്സൽ പ്രോസസ്സ് ചെയ്യുന്നു. വർക്ക്ഗ്രൂപ്പ് വലുപ്പം 16x16 ആയതിനാൽ, ഒരേ വർക്ക്ഗ്രൂപ്പിലെ അടുത്തടുത്തുള്ള വർക്ക് ഐറ്റങ്ങൾ ഒരേ വരിയിലെ അടുത്തടുത്തുള്ള പിക്സലുകൾ പ്രോസസ്സ് ചെയ്യും. ഇത് inputImage-ൽ നിന്ന് വായിക്കുമ്പോഴും outputImage-ലേക്ക് എഴുതുമ്പോഴും കോലെസ്ഡ് മെമ്മറി ആക്‌സസ് പ്രോത്സാഹിപ്പിക്കുന്നു.

എന്നിരുന്നാലും, നിങ്ങൾ ഇമേജ് ഡാറ്റ ട്രാൻസ്പോസ് ചെയ്യുകയാണെങ്കിൽ, അല്ലെങ്കിൽ റോ-മേജർ ഓർഡറിന് പകരം കോളം-മേജർ ഓർഡറിൽ പിക്സലുകൾ ആക്സസ് ചെയ്യുകയാണെങ്കിൽ എന്ത് സംഭവിക്കുമെന്ന് പരിഗണിക്കുക. അടുത്തടുത്തുള്ള വർക്ക് ഐറ്റങ്ങൾ തുടർച്ചയില്ലാത്ത മെമ്മറി ലൊക്കേഷനുകൾ ആക്‌സസ് ചെയ്യുന്നതിനാൽ പ്രകടനം ഗണ്യമായി കുറയുന്നത് നിങ്ങൾ കണ്ടേക്കാം.

ഷെയേർഡ് ലോക്കൽ മെമ്മറി

ഷെയേർഡ് ലോക്കൽ മെമ്മറി, ലോക്കൽ ഷെയേർഡ് മെമ്മറി (LSM) എന്നും അറിയപ്പെടുന്നു, ഇത് ഒരു വർക്ക്ഗ്രൂപ്പിലെ എല്ലാ വർക്ക് ഐറ്റങ്ങളും പങ്കിടുന്ന ചെറുതും വേഗതയേറിയതുമായ ഒരു മെമ്മറി പ്രദേശമാണ്. പതിവായി ആക്‌സസ് ചെയ്യുന്ന ഡാറ്റ കാഷെ ചെയ്യുന്നതിലൂടെയോ അല്ലെങ്കിൽ ഒരേ വർക്ക്ഗ്രൂപ്പിലെ വർക്ക് ഐറ്റങ്ങൾക്കിടയിലുള്ള ആശയവിനിമയം സുഗമമാക്കുന്നതിലൂടെയോ ഇത് പ്രകടനം മെച്ചപ്പെടുത്താൻ ഉപയോഗിക്കാം. GLSL-ൽ shared എന്ന കീവേഡ് ഉപയോഗിച്ചാണ് ഷെയേർഡ് ലോക്കൽ മെമ്മറി ഡിക്ലയർ ചെയ്യുന്നത്.

ഉദാഹരണം: ഡാറ്റാ റിഡക്ഷനായി ഷെയേർഡ് ലോക്കൽ മെമ്മറി ഉപയോഗിക്കുന്നു

            #version 450

layout (local_size_x = 64, local_size_y = 1, local_size_z = 1) in;

layout (binding = 0) buffer InputBuffer {
    float inputData[];
} inputBuffer;

layout (binding = 1) buffer OutputBuffer {
    float outputData[];
} outputBuffer;

shared float localSum[gl_WorkGroupSize.x];

void main() {
    uint localId = gl_LocalInvocationID.x;
    uint globalId = gl_GlobalInvocationID.x;

    localSum[localId] = inputBuffer.inputData[globalId];

    barrier(); // Wait for all work items to write to shared memory

    // Perform reduction within the workgroup
    for (uint i = gl_WorkGroupSize.x / 2; i > 0; i /= 2) {
        if (localId < i) {
            localSum[localId] += localSum[localId + i];
        }
        barrier(); // Wait for all work items to complete the reduction step
    }

    // Write the final sum to the output buffer
    if (localId == 0) {
        outputBuffer.outputData[gl_WorkGroupID.x] = localSum[0];
    }
}
            

              
                Copy
              
            
          

ഈ ഉദാഹരണത്തിൽ, ഓരോ വർക്ക്ഗ്രൂപ്പും ഇൻപുട്ട് ഡാറ്റയുടെ ഒരു ഭാഗത്തിൻ്റെ ആകെത്തുക കണക്കാക്കുന്നു. localSum അറേ ഷെയേർഡ് മെമ്മറിയായി പ്രഖ്യാപിച്ചിരിക്കുന്നു, ഇത് വർക്ക്ഗ്രൂപ്പിലെ എല്ലാ വർക്ക് ഐറ്റങ്ങൾക്കും അത് ആക്സസ് ചെയ്യാൻ അനുവദിക്കുന്നു. വർക്ക് ഐറ്റങ്ങളെ സിൻക്രൊണൈസ് ചെയ്യാൻ barrier() ഫംഗ്ഷൻ ഉപയോഗിക്കുന്നു, റിഡക്ഷൻ ഓപ്പറേഷൻ ആരംഭിക്കുന്നതിന് മുമ്പ് ഷെയേർഡ് മെമ്മറിയിലേക്കുള്ള എല്ലാ എഴുത്തുകളും പൂർത്തിയായി എന്ന് ഉറപ്പാക്കുന്നു. ഇത് ഒരു നിർണായക ഘട്ടമാണ്, കാരണം ബാരിയർ ഇല്ലാതെ, ചില വർക്ക് ഐറ്റങ്ങൾ ഷെയേർഡ് മെമ്മറിയിൽ നിന്ന് പഴയ ഡാറ്റ വായിച്ചേക്കാം.

റിഡക്ഷൻ നിരവധി ഘട്ടങ്ങളിലായാണ് നടത്തുന്നത്, ഓരോ ഘട്ടവും അറേയുടെ വലുപ്പം പകുതിയായി കുറയ്ക്കുന്നു. അവസാനമായി, വർക്ക് ഐറ്റം 0 അവസാനത്തെ തുക ഔട്ട്പുട്ട് ബഫറിലേക്ക് എഴുതുന്നു.

സിൻക്രൊണൈസേഷനും ബാരിയറുകളും

ഒരു വർക്ക്ഗ്രൂപ്പിലെ വർക്ക് ഐറ്റങ്ങൾ ഡാറ്റ പങ്കിടുകയോ അവരുടെ പ്രവർത്തനങ്ങൾ ഏകോപിപ്പിക്കുകയോ ചെയ്യേണ്ടിവരുമ്പോൾ, സിൻക്രൊണൈസേഷൻ അത്യാവശ്യമാണ്. ഒരു വർക്ക്ഗ്രൂപ്പിലെ എല്ലാ വർക്ക് ഐറ്റങ്ങളെയും സിൻക്രൊണൈസ് ചെയ്യുന്നതിനുള്ള ഒരു സംവിധാനം barrier() ഫംഗ്ഷൻ നൽകുന്നു. ഒരു വർക്ക് ഐറ്റം barrier() ഫംഗ്ഷൻ കാണുമ്പോൾ, അതേ വർക്ക്ഗ്രൂപ്പിലെ മറ്റെല്ലാ വർക്ക് ഐറ്റങ്ങളും ബാരിയറിൽ എത്തുന്നതുവരെ അത് കാത്തിരിക്കുന്നു, അതിനുശേഷം മുന്നോട്ട് പോകുന്നു.

ഒരു വർക്ക് ഐറ്റം ഷെയേർഡ് മെമ്മറിയിലേക്ക് എഴുതിയ ഡാറ്റ മറ്റ് വർക്ക് ഐറ്റങ്ങൾക്ക് ദൃശ്യമാണെന്ന് ഉറപ്പാക്കാൻ ബാരിയറുകൾ സാധാരണയായി ഷെയേർഡ് ലോക്കൽ മെമ്മറിയുമായി ചേർന്നാണ് ഉപയോഗിക്കുന്നത്. ഒരു ബാരിയർ ഇല്ലാതെ, ഷെയേർഡ് മെമ്മറിയിലേക്കുള്ള എഴുത്തുകൾ മറ്റ് വർക്ക് ഐറ്റങ്ങൾക്ക് സമയബന്ധിതമായി ദൃശ്യമാകുമെന്ന് യാതൊരു ഉറപ്പുമില്ല, ഇത് തെറ്റായ ഫലങ്ങളിലേക്ക് നയിച്ചേക്കാം.

barrier() ഒരേ വർക്ക്ഗ്രൂപ്പിലെ വർക്ക് ഐറ്റങ്ങളെ മാത്രമേ സിൻക്രൊണൈസ് ചെയ്യുകയുള്ളൂ എന്നത് ശ്രദ്ധിക്കേണ്ടതാണ്. ഒരൊറ്റ കമ്പ്യൂട്ട് ഡിസ്പാച്ചിനുള്ളിൽ വ്യത്യസ്ത വർക്ക്ഗ്രൂപ്പുകളിലുടനീളം വർക്ക് ഐറ്റങ്ങളെ സിൻക്രൊണൈസ് ചെയ്യാൻ ഒരു സംവിധാനവുമില്ല. നിങ്ങൾക്ക് വ്യത്യസ്ത വർക്ക്ഗ്രൂപ്പുകളിലുടനീളം വർക്ക് ഐറ്റങ്ങളെ സിൻക്രൊണൈസ് ചെയ്യണമെങ്കിൽ, ഒന്നിലധികം കമ്പ്യൂട്ട് ഷേഡറുകൾ ഡിസ്പാച്ച് ചെയ്യുകയും ഒരു കമ്പ്യൂട്ട് ഷേഡർ എഴുതിയ ഡാറ്റ തുടർന്നുള്ള കമ്പ്യൂട്ട് ഷേഡറുകൾക്ക് ദൃശ്യമാണെന്ന് ഉറപ്പാക്കാൻ മെമ്മറി ബാരിയറുകളോ മറ്റ് സിൻക്രൊണൈസേഷൻ പ്രിമിറ്റീവുകളോ ഉപയോഗിക്കേണ്ടതുണ്ട്.

കമ്പ്യൂട്ട് ഷേഡറുകൾ ഡീബഗ്ഗ് ചെയ്യുന്നു

കമ്പ്യൂട്ട് ഷേഡറുകൾ ഡീബഗ്ഗ് ചെയ്യുന്നത് വെല്ലുവിളി നിറഞ്ഞതാണ്, കാരണം എക്സിക്യൂഷൻ മോഡൽ വളരെ പാരലലും ജിപിയു-നിർദ്ദിഷ്ടവുമാണ്. കമ്പ്യൂട്ട് ഷേഡറുകൾ ഡീബഗ്ഗ് ചെയ്യുന്നതിനുള്ള ചില വഴികൾ ഇതാ:

• ഒരു ഗ്രാഫിക്സ് ഡീബഗ്ഗർ ഉപയോഗിക്കുക: RenderDoc പോലുള്ള ടൂളുകളോ ചില വെബ് ബ്രൗസറുകളിലെ (ഉദാ. Chrome DevTools) ബിൽറ്റ്-ഇൻ ഡീബഗ്ഗറോ ജിപിയുവിൻ്റെ അവസ്ഥ പരിശോധിക്കാനും ഷേഡർ കോഡ് ഡീബഗ് ചെയ്യാനും നിങ്ങളെ അനുവദിക്കുന്നു.
• ഒരു ബഫറിലേക്ക് എഴുതി തിരികെ വായിക്കുക: ഇടക്കാല ഫലങ്ങൾ ഒരു ബഫറിലേക്ക് എഴുതുകയും വിശകലനത്തിനായി ഡാറ്റ സിപിയുവിലേക്ക് തിരികെ വായിക്കുകയും ചെയ്യുക. ഇത് നിങ്ങളുടെ കണക്കുകൂട്ടലുകളിലോ മെമ്മറി ആക്‌സസ് പാറ്റേണുകളിലോ ഉള്ള പിശകുകൾ തിരിച്ചറിയാൻ സഹായിക്കും.
• അസേർഷനുകൾ ഉപയോഗിക്കുക: അപ്രതീക്ഷിത മൂല്യങ്ങളോ സാഹചര്യങ്ങളോ പരിശോധിക്കാൻ നിങ്ങളുടെ ഷേഡർ കോഡിൽ അസേർഷനുകൾ ചേർക്കുക.
• പ്രശ്നം ലളിതമാക്കുക: പ്രശ്നത്തിൻ്റെ ഉറവിടം കണ്ടെത്താൻ ഇൻപുട്ട് ഡാറ്റയുടെ വലുപ്പമോ ഷേഡർ കോഡിൻ്റെ സങ്കീർണ്ണതയോ കുറയ്ക്കുക.
• ലോഗിംഗ്: ഒരു ഷേഡറിനുള്ളിൽ നിന്ന് നേരിട്ടുള്ള ലോഗിംഗ് സാധാരണയായി സാധ്യമല്ലെങ്കിലും, നിങ്ങൾക്ക് ഡയഗ്നോസ്റ്റിക് വിവരങ്ങൾ ഒരു ടെക്സ്ചറിലേക്കോ ബഫറിലേക്കോ എഴുതുകയും തുടർന്ന് ആ ഡാറ്റ ദൃശ്യവൽക്കരിക്കുകയോ വിശകലനം ചെയ്യുകയോ ചെയ്യാം.

പ്രകടനവുമായി ബന്ധപ്പെട്ട കാര്യങ്ങളും ഒപ്റ്റിമൈസേഷൻ ടെക്നിക്കുകളും

കമ്പ്യൂട്ട് ഷേഡർ പ്രകടനം ഒപ്റ്റിമൈസ് ചെയ്യുന്നതിന് നിരവധി ഘടകങ്ങൾ ശ്രദ്ധാപൂർവ്വം പരിഗണിക്കേണ്ടതുണ്ട്, അവയിൽ ഉൾപ്പെടുന്നവ:

• വർക്ക്ഗ്രൂപ്പ് വലുപ്പം: നേരത്തെ ചർച്ച ചെയ്തതുപോലെ, ജിപിയു ഉപയോഗം പരമാവധിയാക്കുന്നതിന് അനുയോജ്യമായ ഒരു വർക്ക്ഗ്രൂപ്പ് വലുപ്പം തിരഞ്ഞെടുക്കുന്നത് നിർണ്ണായകമാണ്.
• മെമ്മറി ആക്‌സസ് പാറ്റേണുകൾ: കോലെസ്ഡ് മെമ്മറി ആക്‌സസ് നേടുന്നതിനും മെമ്മറി ട്രാഫിക് കുറയ്ക്കുന്നതിനും മെമ്മറി ആക്‌സസ് പാറ്റേണുകൾ ഒപ്റ്റിമൈസ് ചെയ്യുക.
• ഷെയേർഡ് ലോക്കൽ മെമ്മറി: പതിവായി ആക്‌സസ് ചെയ്യുന്ന ഡാറ്റ കാഷെ ചെയ്യാനും വർക്ക് ഐറ്റങ്ങൾക്കിടയിലുള്ള ആശയവിനിമയം സുഗമമാക്കാനും ഷെയേർഡ് ലോക്കൽ മെമ്മറി ഉപയോഗിക്കുക.
• ബ്രാഞ്ചിംഗ്: ഷേഡർ കോഡിനുള്ളിലെ ബ്രാഞ്ചിംഗ് കുറയ്ക്കുക, കാരണം ബ്രാഞ്ചിംഗ് സമാന്തരത കുറയ്ക്കുകയും പ്രകടനത്തിലെ തടസ്സങ്ങൾക്ക് കാരണമാവുകയും ചെയ്യും.
• ഡാറ്റാ ടൈപ്പുകൾ: മെമ്മറി ഉപയോഗം കുറയ്ക്കുന്നതിനും പ്രകടനം മെച്ചപ്പെടുത്തുന്നതിനും ഉചിതമായ ഡാറ്റാ ടൈപ്പുകൾ ഉപയോഗിക്കുക. ഉദാഹരണത്തിന്, നിങ്ങൾക്ക് 8 ബിറ്റ് പ്രിസിഷൻ മാത്രമേ ആവശ്യമുള്ളൂവെങ്കിൽ, float-ന് പകരം uint8_t അല്ലെങ്കിൽ int8_t ഉപയോഗിക്കുക.
• അൽഗോരിതം ഒപ്റ്റിമൈസേഷൻ: പാരലൽ എക്സിക്യൂഷന് അനുയോജ്യമായ കാര്യക്ഷമമായ അൽഗോരിതങ്ങൾ തിരഞ്ഞെടുക്കുക.
• ലൂപ്പ് അൺറോളിംഗ്: ലൂപ്പ് ഓവർഹെഡ് കുറയ്ക്കുന്നതിനും പ്രകടനം മെച്ചപ്പെടുത്തുന്നതിനും ലൂപ്പുകൾ അൺറോൾ ചെയ്യുന്നത് പരിഗണിക്കുക. എന്നിരുന്നാലും, ഷേഡർ കോംപ്ലക്സിറ്റി പരിധികൾ ശ്രദ്ധിക്കുക.
• കോൺസ്റ്റൻ്റ് ഫോൾഡിംഗും പ്രൊപ്പഗേഷനും: കോൺസ്റ്റൻ്റ് എക്സ്പ്രഷനുകൾ ഒപ്റ്റിമൈസ് ചെയ്യുന്നതിന് നിങ്ങളുടെ ഷേഡർ കംപൈലർ കോൺസ്റ്റൻ്റ് ഫോൾഡിംഗും പ്രൊപ്പഗേഷനും നടത്തുന്നുണ്ടെന്ന് ഉറപ്പാക്കുക.
• ഇൻസ്ട്രക്ഷൻ സെലക്ഷൻ: ഏറ്റവും കാര്യക്ഷമമായ ഇൻസ്ട്രക്ഷനുകൾ തിരഞ്ഞെടുക്കാനുള്ള കംപൈലറിൻ്റെ കഴിവ് പ്രകടനത്തെ വളരെയധികം സ്വാധീനിക്കും. ഇൻസ്ട്രക്ഷൻ സെലക്ഷൻ ഒപ്റ്റിമൽ അല്ലാത്ത ഇടങ്ങൾ തിരിച്ചറിയാൻ നിങ്ങളുടെ കോഡ് പ്രൊഫൈൽ ചെയ്യുക.
• ഡാറ്റാ ട്രാൻസ്ഫറുകൾ കുറയ്ക്കുക: സിപിയുവിനും ജിപിയുവിനും ഇടയിൽ കൈമാറ്റം ചെയ്യപ്പെടുന്ന ഡാറ്റയുടെ അളവ് കുറയ്ക്കുക. ജിപിയുവിൽ കഴിയുന്നത്ര കമ്പ്യൂട്ടേഷൻ നടത്തുന്നതിലൂടെയും സീറോ-കോപ്പി ബഫറുകൾ പോലുള്ള ടെക്നിക്കുകൾ ഉപയോഗിക്കുന്നതിലൂടെയും ഇത് നേടാനാകും.

യഥാർത്ഥ ലോക ഉദാഹരണങ്ങളും ഉപയോഗ സാഹചര്യങ്ങളും

കമ്പ്യൂട്ട് ഷേഡറുകൾ ഇനിപ്പറയുന്നവ ഉൾപ്പെടെ വിപുലമായ ആപ്ലിക്കേഷനുകളിൽ ഉപയോഗിക്കുന്നു:

• ഇമേജ്, വീഡിയോ പ്രോസസ്സിംഗ്: ഫിൽട്ടറുകൾ പ്രയോഗിക്കുക, കളർ കറക്ഷൻ നടത്തുക, വീഡിയോ എൻകോഡിംഗ്/ഡീകോഡിംഗ് ചെയ്യുക. ബ്രൗസറിൽ നേരിട്ട് ഇൻസ്റ്റാഗ്രാം ഫിൽട്ടറുകൾ പ്രയോഗിക്കുന്നതിനെക്കുറിച്ചോ തത്സമയ വീഡിയോ വിശകലനം നടത്തുന്നതിനെക്കുറിച്ചോ ചിന്തിക്കുക.
• ഫിസിക്സ് സിമുലേഷനുകൾ: ഫ്ലൂയിഡ് ഡൈനാമിക്സ്, പാർട്ടിക്കിൾ സിസ്റ്റംസ്, ക്ലോത്ത് സിമുലേഷനുകൾ എന്നിവ അനുകരിക്കുന്നു. ലളിതമായ സിമുലേഷനുകൾ മുതൽ ഗെയിമുകളിൽ റിയലിസ്റ്റിക് വിഷ്വൽ ഇഫക്റ്റുകൾ സൃഷ്ടിക്കുന്നത് വരെ ഇത് ആകാം.
• മെഷീൻ ലേണിംഗ്: മെഷീൻ ലേണിംഗ് മോഡലുകളുടെ പരിശീലനവും ഇൻഫറൻസും. WebGL, സെർവർ സൈഡ് ഘടകം ആവശ്യമില്ലാതെ തന്നെ ബ്രൗസറിൽ നേരിട്ട് മെഷീൻ ലേണിംഗ് മോഡലുകൾ പ്രവർത്തിപ്പിക്കാൻ സാധ്യമാക്കുന്നു.
• സയൻ്റിഫിക് കമ്പ്യൂട്ടിംഗ്: ന്യൂമെറിക്കൽ സിമുലേഷനുകൾ, ഡാറ്റാ അനാലിസിസ്, വിഷ്വലൈസേഷൻ എന്നിവ നടത്തുന്നു. ഉദാഹരണത്തിന്, കാലാവസ്ഥാ പാറ്റേണുകൾ അനുകരിക്കുകയോ ജീനോമിക് ഡാറ്റ വിശകലനം ചെയ്യുകയോ ചെയ്യുക.
• ഫിനാൻഷ്യൽ മോഡലിംഗ്: സാമ്പത്തിക അപകടസാധ്യതകൾ കണക്കാക്കുക, ഡെറിവേറ്റീവുകൾക്ക് വില നിശ്ചയിക്കുക, പോർട്ട്ഫോളിയോ ഒപ്റ്റിമൈസേഷൻ നടത്തുക.
• റേ ട്രേസിംഗ്: പ്രകാശകിരണങ്ങളുടെ പാത പിന്തുടർന്ന് റിയലിസ്റ്റിക് ചിത്രങ്ങൾ നിർമ്മിക്കുന്നു.
• ക്രിപ്റ്റോഗ്രഫി: ഹാഷിംഗ്, എൻക്രിപ്ഷൻ പോലുള്ള ക്രിപ്റ്റോഗ്രാഫിക് പ്രവർത്തനങ്ങൾ നടത്തുന്നു.

ഉദാഹരണം: പാർട്ടിക്കിൾ സിസ്റ്റം സിമുലേഷൻ

കമ്പ്യൂട്ട് ഷേഡറുകൾ ഉപയോഗിച്ച് ഒരു പാർട്ടിക്കിൾ സിസ്റ്റം സിമുലേഷൻ കാര്യക്ഷമമായി നടപ്പിലാക്കാൻ കഴിയും. ഓരോ വർക്ക് ഐറ്റത്തിനും ഒരൊറ്റ പാർട്ടിക്കിളിനെ പ്രതിനിധീകരിക്കാൻ കഴിയും, കൂടാതെ കമ്പ്യൂട്ട് ഷേഡറിന് ഭൗതിക നിയമങ്ങളെ അടിസ്ഥാനമാക്കി പാർട്ടിക്കിളിൻ്റെ സ്ഥാനം, വേഗത, മറ്റ് പ്രോപ്പർട്ടികൾ എന്നിവ അപ്ഡേറ്റ് ചെയ്യാൻ കഴിയും.

            #version 450

layout (local_size_x = 64, local_size_y = 1, local_size_z = 1) in;

struct Particle {
    vec3 position;
    vec3 velocity;
    float lifetime;
};

layout (binding = 0) buffer ParticleBuffer {
    Particle particles[];
} particleBuffer;

uniform float deltaTime;

void main() {
    uint id = gl_GlobalInvocationID.x;
    Particle particle = particleBuffer.particles[id];

    // Update particle position and velocity
    particle.position += particle.velocity * deltaTime;
    particle.velocity.y -= 9.81 * deltaTime; // Apply gravity
    particle.lifetime -= deltaTime;

    // Respawn particle if it's reached the end of its lifetime
    if (particle.lifetime <= 0.0) {
        particle.position = vec3(0.0);
        particle.velocity = vec3(rand(id), rand(id + 1), rand(id + 2)) * 10.0;
        particle.lifetime = 5.0;
    }

    particleBuffer.particles[id] = particle;
}
            

              
                Copy
              
            
          

സങ്കീർണ്ണമായ സിമുലേഷനുകൾ സമാന്തരമായി നടത്തുന്നതിന് കമ്പ്യൂട്ട് ഷേഡറുകൾ എങ്ങനെ ഉപയോഗിക്കാമെന്ന് ഈ ഉദാഹരണം കാണിക്കുന്നു. ഓരോ വർക്ക് ഐറ്റവും ഒരൊറ്റ പാർട്ടിക്കിളിൻ്റെ അവസ്ഥ സ്വതന്ത്രമായി അപ്ഡേറ്റ് ചെയ്യുന്നു, ഇത് വലിയ പാർട്ടിക്കിൾ സിസ്റ്റങ്ങളുടെ കാര്യക്ഷമമായ സിമുലേഷൻ അനുവദിക്കുന്നു.

ഉപസംഹാരം

കാര്യക്ഷമവും ഉയർന്ന പ്രകടനവുമുള്ള WebGL കമ്പ്യൂട്ട് ഷേഡറുകൾ എഴുതുന്നതിന് വർക്ക് ഡിസ്ട്രിബ്യൂഷനും ജിപിയു ത്രെഡ് അസൈൻമെൻ്റും മനസ്സിലാക്കേണ്ടത് അത്യാവശ്യമാണ്. വർക്ക്ഗ്രൂപ്പ് വലുപ്പം, മെമ്മറി ആക്‌സസ് പാറ്റേണുകൾ, ഷെയേർഡ് ലോക്കൽ മെമ്മറി, സിൻക്രൊണൈസേഷൻ എന്നിവ ശ്രദ്ധാപൂർവ്വം പരിഗണിക്കുന്നതിലൂടെ, കമ്പ്യൂട്ടേഷണലി ഇൻ്റൻസീവ് ആയ വിപുലമായ ജോലികൾ ത്വരിതപ്പെടുത്തുന്നതിന് ജിപിയുവിൻ്റെ പാരലൽ പ്രോസസ്സിംഗ് ശക്തി പ്രയോജനപ്പെടുത്താൻ നിങ്ങൾക്ക് കഴിയും. നിങ്ങളുടെ കമ്പ്യൂട്ട് ഷേഡറുകൾക്ക് പരമാവധി പ്രകടനം ലഭിക്കുന്നതിന് പരീക്ഷണം, പ്രൊഫൈലിംഗ്, ഡീബഗ്ഗിംഗ് എന്നിവ പ്രധാനമാണ്. WebGL വികസിക്കുന്നത് തുടരുമ്പോൾ, വെബ് അധിഷ്ഠിത ആപ്ലിക്കേഷനുകളുടെയും അനുഭവങ്ങളുടെയും അതിരുകൾ ഭേദിക്കാൻ ആഗ്രഹിക്കുന്ന വെബ് ഡെവലപ്പർമാർക്ക് കമ്പ്യൂട്ട് ഷേഡറുകൾ കൂടുതൽ പ്രാധാന്യമുള്ള ഒരു ഉപകരണമായി മാറും.