Today's large-scale scientific applications running on high-performance computing (HPC) systems generate vast data volumes. Thus, data compression is becoming a critical technique to mitigate the storage burden and data-movement cost. However, existing lossy compressors for scientific data cannot achieve a high compression ratio and throughput simultaneously, hindering their adoption in many applications requiring fast compression, such as in-memory compression. To this end, in this work, we develop a fast and high-ratio error-bounded lossy compressor on GPUs for scientific data (called FZ-GPU). Specifically, we first design a new compression pipeline that consists of fully parallelized quantization, bitshuffle, and our newly designed fast encoding. Then, we propose a series of deep architectural optimizations for each kernel in the pipeline to take full advantage of CUDA architectures. We propose a warp-level optimization to avoid data conflicts for bit-wise operations in bitshuffle, maximize shared memory utilization, and eliminate unnecessary data movements by fusing different compression kernels. Finally, we evaluate FZ-GPU on two NVIDIA GPUs (i.e., A100 and RTX A4000) using six representative scientific datasets from SDRBench. Results on the A100 GPU show that FZ-GPU achieves an average speedup of 4.2X over cuSZ and an average speedup of 37.0X over a multi-threaded CPU implementation of our algorithm under the same error bound. FZ-GPU also achieves an average speedup of 2.3X and an average compression ratio improvement of 2.0X over cuZFP under the same data distortion.


翻译:当今在高性能计算(HPC)系统上运行的大规模科学应用产生了海量数据。因此,数据压缩正成为缓解存储负担和数据移动成本的关键技术。然而,现有针对科学数据的有损压缩器无法同时实现高压缩比和高吞吐量,这阻碍了它们在许多需要快速压缩的场景(如内存压缩)中的应用。为此,本文开发了一种在GPU上运行的高效高比误差有界有损压缩器(称为FZ-GPU)。具体而言,我们首先设计了一种新型压缩流水线,该流水线包含完全并行化的量化、位混洗以及我们新设计的快速编码。随后,我们针对流水线中的每个内核提出了一系列深度架构优化,以充分利用CUDA架构。我们提出了一种warp级优化,用于避免位混洗中按位操作的数据冲突,最大化共享内存利用率,并通过融合不同压缩内核来消除不必要的数据移动。最后,我们使用SDRBench中六个代表性科学数据集,在两块NVIDIA GPU(即A100和RTX A4000)上评估了FZ-GPU。在A100 GPU上的结果表明,在相同误差界限下,FZ-GPU相较于cuSZ实现了平均4.2倍的加速,相较于我们算法的多线程CPU实现实现了平均37.0倍的加速。在相同数据失真条件下,FZ-GPU相较于cuZFP还实现了平均2.3倍的加速和平均2.0倍的压缩比提升。

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