Vectorization Benchmarks

Benchmarks de operações de algebra linear com vetorização (AVX256, AVX512, Google Highway, OpenMP), sobre matrizes esparsas no formato BCSR com blocos 3x3.

Operacoes disponiveis

• spmv — Sparse Matrix-Vector Multiplication (SpMV) com BCSR
• ilu0 — Fatoracao ILU(0) por blocos

Cada operacao e medida em 5 variantes: Base, OpenMP, AVX256, AVX512 e Highway.

Dependencias

• GCC (g++) com suporte a OpenMP
• Intel oneAPI (icpx) — opcional
• CMake >= 3.10
• Google Highway (SIMD)
• Python 3 com pip (para geração de gráficos)

Todas as dependencias sao instaladas automaticamente via Docker.

Setup

make up      # sobe o container
make bash    # acessa o shell do container

Para derrubar o container:

make down

Compilar e rodar benchmarks

Dentro do container, a partir da raiz do repositorio (os CSVs sao gravados em caminho relativo ao diretorio atual):

make <compilador> <operacao>

<compilador> e gcc ou icx; <operacao> e spmv ou ilu0. O alvo recompila do zero (make clean implicito) e ja executa o benchmark.

Exemplos

make gcc spmv    # compila com g++ e roda benchmark de SpMV
make icx spmv    # compila com icpx e roda benchmark de SpMV
make gcc ilu0    # compila com g++ e roda benchmark de ILU(0)
make icx ilu0    # compila com icpx e roda benchmark de ILU(0)

Para chamar o binario direto, sem passar pelo Makefile:

./build/kernels_vectorization <operacao> <compilador>

O compilador e apenas um rotulo: define o subdiretorio em que os resultados sao gravados, nao a forma como o binario foi compilado.

Malhas e saidas

As malhas sao cubicas (nx = ny = nz), com N = nx*ny*nz, e cada ponto e medido em 20 rodadas:

Operacao	nx	N
spmv	20 a 200	8.000 a 8.000.000
ilu0	20 a 160	8.000 a 4.096.000

Cada execucao grava em experiments/<operacao>/<compilador>/:

• <op>_runs.csv — uma linha por malha e variante: N,nx,ny,nz,variante,media_s,speedup_mean,mediana_s,speedup_median,erro_max
• <op>_general.csv — media geometrica dos speedups sobre todas as malhas: variante,speedup_geral_mean,speedup_geral_median

Gerar gráficos

Após rodar os benchmarks, a partir do diretorio plots/:

cd plots
pip install -r requirements.txt --break-system-packages
python3 main.py <operacao> [--tempos]

Sem --tempos, todos os gráficos são gerados. Com --tempos, apenas os gráficos de tempo.

Exemplos

python3 main.py spmv             # gera todos os gráficos do SpMV
python3 main.py ilu0             # gera todos os gráficos do ILU(0)
python3 main.py spmv --tempos    # gera somente os gráficos de tempo do SpMV

Os compiladores nao sao passados na linha de comando: o script percorre todos os subdiretorios de experiments/<operacao>/ e gera um conjunto de gráficos para cada um.

Os gráficos são salvos em experiments/<operacao>/<compilador>/ junto aos CSVs correspondentes, exceto os de comparação entre compiladores, que ficam em experiments/<operacao>/.

Gráficos gerados por operação

A partir de <op>_runs.csv, para cada compilador:

• <op>_speedup_mean.png — speedup médio por variante em função de N
• <op>_speedup_median.png — mediana do speedup por variante em função de N
• <op>_tempo_mean.png — tempo médio (s) por variante em função de N
• <op>_tempo_median.png — mediana do tempo (s) por variante em função de N
• <op>_erro_max.png — erro máximo por variante em função de N

A partir de <op>_general.csv, para cada compilador:

• <op>_speedup_general.png — speedup geral (média e mediana) por variante (barras)

Comparando os dois compiladores, em experiments/<operacao>/:

• <op>_comparison_mean.png — comparação do speedup médio geral entre GCC e ICX (barras)
• <op>_comparison_median.png — comparação da mediana do speedup geral entre GCC e ICX (barras)

Estrutura

src/            # ponto de entrada (main.cpp)
libs/
  cli/          # CLI de selecao de operacao e compilador
  bcsr/         # formato Blocked CSR (blocos 3x3)
  block_ops/    # operacoes elementares de bloco (inversao, matmat, matsub)
  spmv/         # variantes de SpMV (base, OpenMP, AVX256, AVX512, Highway)
  ilu0/         # variantes de ILU(0) (base, OpenMP, AVX256, AVX512, Highway)
  utils/        # tempo, mediana, criacao de diretorios
  benchmarks/
    benchmark_base/   # laco de medicao e escrita dos CSVs
    spmv/             # benchmark de SpMV
    ilu0/             # benchmark de ILU(0)
experiments/    # resultados dos benchmarks (CSV + gráficos)
plots/
  main.py       # CLI para geração de gráficos
  plots/
    runs.py     # gráficos de tempo e erro (a partir de *_runs.csv)
    speedup.py  # gráficos de speedup e comparacao entre compiladores
    style.py    # cores, marcadores e estilos de linha compartilhados
  requirements.txt
scratch/        # exemplos avulsos de vetorizacao (fora do build principal)