Linux Kernel に「Aldebaran」 GPU をサポートするパッチが投稿される　―― CDNA 2/MI200?

新たな AMD GPU、Aldebaran をサポートするためのパッチ 159個が Linux Kernel (amd-gfx) に投稿された。

[PATCH 000/159] Aldebaran support

Aldebaran は Arcturus/MI100/CDNA 1 同様に GFX Ring を持たない。グラフィクス処理を行うための固定機能 Rasterizer, RenderBackend, Geometry Engine … も搭載していないと思われる。

   -	if (adev->asic_type == CHIP_ARCTURUS)
   +	if (adev->asic_type == CHIP_ARCTURUS ||
   +	    adev->asic_type == CHIP_ALDEBARAN)
    		adev->gfx.num_gfx_rings = 0;
    	else

引用元:[PATCH 017/159] drm/amdgpu: add gfx v9 block support for aldebaran

そしてその特徴等から、CDNA 2アーキテクチャ を採用する MI200 のコードネームではないかと考えられる。
MI200 に関連するパッチは最近になって投稿され始め、先日には対応すると思われる GPUID gfx90a のサポートが LLVM に追加されている。
LLVM に GFX90A のサポートが追加される　―― CDNA 2/MI200 か | Coelacanth’s Dream

HBM2Eメモリをサポート

同時に HBM2Eメモリのサポートが追加されており、Aldebaran/MI200 は HBM2Eメモリを採用すると見られる。

HBM2メモリではスタックあたり最大 8GB までだったが、HBM2Eメモリではスタックあたり 16GB という容量をサポートしており、LUMI システムの開発者の発言から、少なくとも 40GB以上のメモリを持つ Aldebaran/MI200 においては HBM2Eメモリの採用は必定だった。¹

少ない SDMAエンジン

Aldebaran は次世代 CDNA GPU と考えているが、PCIe や XGMI/Infinity Fabric 等のバスを経由してデータをコピー、転送する際に用いられる SDMAエンジン/コントローラーの数は Arcturus よりも少なくなっている。
Arcturus は SDMAエンジン 8基を持ち、内 2基は CPU とのデータのやり取りに使われ、残り 6基は XGMI/Infinity Fabric に最適化された GPU間通信用のものとなる。
対し Aldebaran は、CPU用に 2基というのは変わらないが、GPU間用の SDMAエンジンは 3基に減っている。

   static const struct kfd_device_info arcturus_device_info = {
   	.asic_family = CHIP_ARCTURUS,
   	.asic_name = "arcturus",
   	.max_pasid_bits = 16,
   	.max_no_of_hqd	= 24,
   	.doorbell_size	= 8,
   	.ih_ring_entry_size = 8 * sizeof(uint32_t),
   	.event_interrupt_class = &event_interrupt_class_v9,
   	.num_of_watch_points = 4,
   	.mqd_size_aligned = MQD_SIZE_ALIGNED,
   	.supports_cwsr = true,
   	.needs_iommu_device = false,
   	.needs_pci_atomics = false,
   	.num_sdma_engines = 2,
   	.num_xgmi_sdma_engines = 6,
   	.num_sdma_queues_per_engine = 8,
   };
   
   static const struct kfd_device_info aldebaran_device_info = {
   	.asic_family = CHIP_ALDEBARAN,
   	.asic_name = "aldebaran",
   	.max_pasid_bits = 16,
   	.max_no_of_hqd	= 24,
   	.doorbell_size	= 8,
   	.ih_ring_entry_size = 8 * sizeof(uint32_t),
   	.event_interrupt_class = &event_interrupt_class_v9,
   	.num_of_watch_points = 4,
   	.mqd_size_aligned = MQD_SIZE_ALIGNED,
   	.supports_cwsr = true,
   	.needs_iommu_device = false,
   	.needs_pci_atomics = false,
   	.num_sdma_engines = 2,
   	.num_xgmi_sdma_engines = 3,
   	.num_sdma_queues_per_engine = 8,
   };

引用元:drivers/gpu/drm/amd/amdkfd/kfd_device.c · 1b1515513cdcc6cfa86d7f4f8c1db899695f25f6 · Alex Deucher / linux · GitLab

Arcturus は GPU用の SDMAエンジンを 6基持っていたことで最大 8-GPU との接続が可能だったが²、Aldebaran は不可能か、出来たとしても遠くの GPU とやり取りする際に経由しなければならない GPU が多く、性能を出すことが難しいと考えられる。
だが、Arcturus/MI100 は製品としては最大 4-GPU での相互接続に対応し、8-GPU のトポロジ構成には対応しなかったことや、
Aldebaran/MI200 を採用することが決まっているスパコンは、現状どれもノード構成が 1-CPU:4-GPU となっていることを考えると、そこまで SDMAエンジン数を必要としないから減らしたとも考えられる。
MI200 は Frontier、LUMI に採用され、LUMI は 2021年半ばから運用開始予定 | Coelacanth’s Dream

コード中には Aldebaran が最大 8-GPU に対応するように記述されているが、今の所はサポートのため (Arcturus の) 設定を使い回しているだけで、後で書き直す必要があるとしている。

   	switch (adev->asic_type) {
   	case CHIP_VEGA20:
   		max_num_physical_nodes   = 4;
   		max_physical_node_id     = 3;
   		break;
   	case CHIP_ARCTURUS:
   		max_num_physical_nodes   = 8;
   		max_physical_node_id     = 7;
   		break;
   	case CHIP_ALDEBARAN:
   		/* just using duplicates for Aldebaran support, revisit later */
   		max_num_physical_nodes   = 8;
   		max_physical_node_id     = 7;
   		break;

引用元:drivers/gpu/drm/amd/amdgpu/gfxhub_v1_1.c · amd-staging-drm-next-aldebaran · Alex Deucher / linux · GitLab

Aldebaran では GDS が削除

AMD GPUアーキテクチャでは、全ての CU がアクセス可能なオンチップメモリ、GDS (Global Data Share) を持っているが、Aldebaran では GDS が削除されている。
GDS はスレッド間でのデータ共有やソフトウェアが用いるキャッシュ、アトミック操作等の用途がある。

[PATCH 072/159] drm/amdgpu: init gds for aldebaran

GDS を削除した理由については触れられていないが、1-GPU に搭載される CU が増えるにつれ、GDS ではなく増やした L2キャッシュを利用した方が良い、となったのかもしれない。
それと、追加された実行フローにおける新モード TgSplit の存在が関係している可能性もある。

そして今になって調べて気付いたが、GDS の変更は Arcturus/MI100 の時点で行われていた。
Vega10/Vega20 は GDS 64KB (32バンク) を持っていたが、Arcturus/MI100 では 4KB (4バンク) に減らされている。³帯域やバンク数は資料に記述されなくなった。⁴ 一応、RDNA 2/GFX10.3 も確認したが、そちらは 64KB のままであり、CDNA アーキテクチャ 特有の変更点と言える。

CPU との XGMI/Infinity Fabric Link 接続に対応

Aldebaran には CPU との XGMI/Infinity Fabric Link 接続に対応し、これは以前 3rd Gen Infinity Architecture として発表されていたものと一致する。
3rd Gen Infinity Arcitecture では、GPU メモリを CPU側のシステムアドレスにマッピングすることで CPU と GPU のコヒーレントを保ち、GPGPUプログラムを複雑にしていたメモリ空間の違いとそれによるデータ転送の手間を無くし、より広い用途での GPU の活用を可能とする。
Linux Kernel に CPU + GPU の統合メモリ空間をサポートする最初のパッチが投稿される | Coelacanth’s Dream

AMD 3rd Gen Infinity Architecture Enables Accelerated Computing
画像元: FINANCIAL ANALYST DAY 2020 - Mark Papermaster: Future of High Performance

Aldebaran は複数ダイ構成 (MCM) か

先日、HPE の資料に、製品名 AMD Instinct MI200 OAM x1 MCM Special FIO Accelerator for HPE Cray EX があったことが話題となり、MI200 は MCM 構成ではないかとされたが、それを裏付けるようなパッチとコメントがあった。
Intel OneAPI - a50002555enw

Aldebaran はに複数の die ID が割り振られ、GPU と CPU (ホスト) とのリンクタイプを得るのに使われ、

   is_host_gpu_xgmi_supported is used to query gpu and
   cpu/host link type. get_die_id is used to query die
   ids.
引用元:[PATCH 036/159] drm/amdgpu: add new smuio callbacks for aldebaran

新たなクロック調節機能である “Performance Determinism” はダイごとに有効可能だとしている。

   Performance Determinism is a new mode in Aldebaran where PMFW tries to
   maintain sustained performance level. It can be enabled on a per-die
   basis on aldebaran.
引用元:[PATCH 124/159] drm/amd/pm: Enable performance determinism on aldebaran

また、Aldebran の SMUv13 (System Management Unit) のファイルにはマクロ名に MCM が付くものがあり、それはダイ、パッケージ、ソケット、トポロジ等に関係している。

   //SMUIO_MCM_CONFIG
   #define SMUIO_MCM_CONFIG__DIE_ID__SHIFT                                                                       0x0
   #define SMUIO_MCM_CONFIG__PKG_TYPE__SHIFT                                                                     0x1
   #define SMUIO_MCM_CONFIG__SOCKET_ID__SHIFT                                                                    0x4
   #define SMUIO_MCM_CONFIG__PKG_SUBTYPE__SHIFT                                                                  0x8
   #define SMUIO_MCM_CONFIG__TOPOLOGY_ID__SHIFT                                                                  0xa
   #define SMUIO_MCM_CONFIG__DIE_ID_MASK                                                                         0x00000001L
   #define SMUIO_MCM_CONFIG__PKG_TYPE_MASK                                                                       0x0000000EL
   #define SMUIO_MCM_CONFIG__SOCKET_ID_MASK                                                                      0x000000F0L
   #define SMUIO_MCM_CONFIG__PKG_SUBTYPE_MASK                                                                    0x00000300L
   #define SMUIO_MCM_CONFIG__TOPOLOGY_ID_MASK                                                                    0x00007C00L

引用元:drivers/gpu/drm/amd/include/asic_reg/smuio/smuio_13_0_2_offset.h · amd-staging-drm-next-aldebaran · Alex Deucher / linux · GitLab

Aldebaran/MI200 が MCM構成だとして、そこで出てくるのは、上述した SDMAエンジンの数がダイごとのものなのか、GPU全体なのか、ダイ同士の接続は SDMAエンジンを用いる XGMI 接続なのかそうでないか、それぞれが I/O やメディアエンジンを持つ独立可能な複数のダイで構成されるのか、といった疑問が出てくるが、
まあそれは今後パッチという形か、あるいは正式発表時に明かされるだろうから、それを待つこととする。

SMUv13、VCN 2.6、DeviceID

既に触れたが、Aldebran の SMU は Version13 となり、これは以前ひょっこりと出てきてそれきりな Yellow Carp APU と同じ世代となる。
新たな AMD APU、“Yellow Carp”　―― SMU は v13 に | Coelacanth’s Dream さらに言えば、MI200 が SMUv13 となるのは、以前ファームウェアバイナリに混じってアップロードされた更新履歴にあった情報だ。
Cezanne の Coreboot 対応が進行中　―― MI200, Mero, Rembrandt のネームプレート | Coelacanth’s Dream

しかし、対応するプラットフォームや時期の違いから、それぞれの SMUv13 は全く同じではなく、Yellow Carp は SMU v13.0.1、Aldebaran は SMU v13.0.2 となっている。

デコード/エンコードを処理する VCN は Arcturus からわずかにバージョンが進んだ VCN 2.6 を搭載しているが、VCN 2.5 との違いは不明。
また、Arcturus 同様に VCN を 2基搭載するが、片方は VCN 2.6、もう片方は VCN 2.5 としている。配置される MMHUB (MultiMedia Hub) は異なるが、やはりこちらも違いは不明。⁵
Navi21/Sienna Cichlid のようにエンコードとデコードで役割を分けているようでもない。

Aldebaran の DeviceID (PCI ID) には現在 3種リストされているが、Arcturus の例から、2種はエンジニアサンプリングか予約用と思われる。

   +	/* Aldebaran */
   +	{0x1002, 0x7408, PCI_ANY_ID, PCI_ANY_ID, 0, 0, CHIP_ALDEBARAN},
   +	{0x1002, 0x740C, PCI_ANY_ID, PCI_ANY_ID, 0, 0, CHIP_ALDEBARAN},
   +	{0x1002, 0x740F, PCI_ANY_ID, PCI_ANY_ID, 0, 0, CHIP_ALDEBARAN},
   +

引用元:[PATCH 067/159] drm/amdgpu: Add DID for aldebaran

コードネーム: Aldebaran

Aldebaran (アルデバラン) はおうし座で最も明るい恒星 (首星)、α星の固有名である。
RDNA 2 アーキテクチャ からは 色+魚 をコードネームにするようになったが、CDNA アーキテクチャ では引き続き恒星をコードネームに採用するようだ。

Vega (ベガ) 、Arcturus (アークトゥルス) もまた α星の固有名で、Vega はこと座、Arcturus はうしかい座に位置する。
星には詳しくない上、参考資料によって異なったりであやふやだが、地球から Vega は 25光年、Arcturus は 36光年、Aldebaran は 65光年離れており、最新の世代ほど地球から遠くなっている。

ランダムで選ばれている可能性もあるが、Arcturus は大きな固有運動を示す高速度星でもあり、GCNアーキテクチャ から CDNA アーキテクチャ への転換を象徴する GPU のコードネームとしてはぴったりと言える。
そして、Aldebaran はアラビア語で「後に続くもの」の意で、同じおうし座に位置するプレアデス (和名: すばる) よりも遅れて昇ってくることからその名が付けられている。
こちらも、Arcturus/CDNA 1 から続く第2世代 CDNA アーキテクチャ 、CDNA 2 GPU に付けられたコードネームとして合っている。