(cache)秒速で10億レコードを処理する話

これまでのPG-Stromの性能測定といえば、自社保有機材の関係もあり、基本的には1Uラックサーバに1CPU、1GPU、3～4台のNVME-SSDを載せた構成のハードウェアが中心だった。*1
ただソフトウェア的にはマルチGPUやNVME-SSDのストライピングに対応しており、能力的にどこまで伸ばせるのかというのは気になるところである。
そこで、方々に手を尽くして、次のようなベンチマーク環境を整備してみた。
（機材をお貸し頂いたパートナー様には感謝感激雨あられである）

4UサーバのSYS-4029GP-TRTというモデルは、GPUをたくさん乗っけるためにPCIeスイッチを用いてPCIeスロットを分岐している。ちょうど、PCIeスイッチ1個あたり2個のPCIe x16スロットが用意されており、同じPCIeスイッチ配下のデバイス同士であれば、完全にCPUをバイパスしてPeer-to-Peerのデータ転送ができる。Supermicro自身も、このサーバを"GPUDirect RDMAに最適化"したモデルとして売っている。

こういう構造のサーバであるので、P2P DMAを用いてSSDからGPUへデータを転送する場合、PCIeスイッチの配下にある2本のPCIeスロットにそれぞれSSDとGPUをペアにして装着すると、データ転送の時に効率が良い。

U.2のNVME-SSDを装着するには外部のエンクロージャが必要で、今回は（色々あって）SerialCables社のPCI-ENC8G-08Aという製品を使用した。これはエンクロージャあたり8本のU.2 NVME-SSDを装着する事ができ、ダイレクトアタッチケーブルを使用して各2枚のPCIeホストカード（PCI-AD-x16HE-M）と接続する。

そうすると、GPU 1台あたりU.2 NVME-SSDを4台のペアを構成する事ができ、それぞれPCIe Gen3.0 x16レーン幅の帯域でCPUをバイパスして直結できるようになる。
ブロックダイアグラムにして書き直すと以下の通り。

Star Schema Benchmarkとデータセット

性能評価に使ったのはいつもの Star Schema Benchmark(SSBM) で、SF=4000で作ったデータセットをPostgreSQLのHashパーティショニング機能を使って4つのユニットにデータを分散させる。つまり、U.2 NVME-SSDを4台あたりSF=1000相当の規模のデータ（60億件、879GB）を持つことになる。

さらにデータの持ち方も、PostgreSQLの行形式に加えて、PG-Stromの列ストアであるApache Arrow形式で全く同じ内容のファイルを用意して、各パーティションへ配置した。

Apache Arrow形式というのは構造化データを列形式で保存・交換するためのフォーマットで、PG-StromにおいてはArrow_Fdw機能を用いての直接読み出し（SSD-to-GPU Direct SQLを含む）に対応している。詳しくはこちらのエントリーなど。

kaigai.hatenablog.com

SSBMには全部で13種類のクエリが含まれており、例えば、Q2_3のクエリは以下の通り。
データ量の多いlineorderのスキャンと同時に、他のテーブルとのJOINやGROUP BYを含むワークロードである。

select sum(lo_revenue), d_year, p_brand1
  from lineorder, date1, part, supplier
  where lo_orderdate = d_datekey
    and lo_partkey = p_partkey
    and lo_suppkey = s_suppkey
     and p_brand1 = 'MFGR#2221'
     and s_region = 'EUROPE'
  group by d_year, p_brand1
  order by d_year, p_brand1;

ベンチマーク結果

という訳で、早速ベンチマーク結果を以下に。
縦軸は単位時間あたりの処理行数で、（lineorderの行数；240億行）÷（SQL 応答時間）で計算している。例えば PG-Strom 2.2 + Arrow_Fdw における Q1_2 の応答時間は 14.0s なので、毎秒17.1億行を処理しているということになる。

青軸は PostgreSQL v11.5 で、並列クエリ数を24に引き上げるというチューニング*2を行っている。性能値としては、毎秒50～60百万行の水準。

オレンジの軸は、PostgreSQLの行データに対して PG-Strom v2.2 のSSD-to-GPU Direct SQLを使用してクエリを実行したもの。性能値としては、毎秒250百万行前後の水準。

この二つに関しては、13個のクエリの間で性能値に大きな傾向の差がない。これは、JOIN/GROUP BYの処理負荷よりも、まずI/Oの負荷が支配項になっており、行データである限りは参照されていない列も含めてストレージから読み出さねばならないためだと考えられる。

緑の軸が真打で、PG-Strom v2.2のSSD-to-GPU Direct SQLをArrow_Fdw管理下の列ストアに対して実行したもの。
これは列データなので、参照するカラムの数によって大きく性能値の傾向が違っている様子が見えるが、Q1_*のグループ、Q2_*のグループに関しては、目標としていた毎秒10億行の処理能力を実証できたことになる。

一応、4xGPU + 16xNVME-SSD できちんとI/Oの性能が出ているという事を確認するために、クエリ実行中の iostat の結果を積み上げグラフにしてみた。山が13個あるのはクエリを13回実行したという事で、物理的には概ね40GB/sのSeqRead性能が出ている事がわかる。（つまり、クエリ応答性能の違いは参照している列の数による、という事でもある）

参考までに、今回の構成は以下の通り。

	型番	数量
model	Supermicro SYS-4029GP-TRT	1
CPU	Intel Xeon Gold 6226 (12C, 2.7GHz)	2
RAM	16GB (DDR4-2933; ECC)	12
GPU	NVIDIA Tesla V100 (PCI-E; 16GB)	2
GPU	NVIDIA Tesla V100 (PCI-E; 32GB)	2
HDD	Seagate 2.5inch 1.0TB/2.0TB	4
JBOF	SerialCables PCI-ENC8G-08A	2
SSD	Intel DC P4510 (U.2; 1.0TB)	16
HBA	SerialCables PCI-AD-x16HE-M	4

ご自分でも環境を作ってみたいという方はご参考に。

PostgreSQL Conference Japan 2019

今回の一連の検証結果に関しては、来る11月15日(金)に品川駅前（AP品川）で開催予定の PostgreSQL Conference Japan 2019 にて『PostgreSQLだってビッグデータ処理したい！！～GPUとNVMEを駆使して毎秒10億レコードを処理する技術～』と題して発表を行います。
有償でのカンファレンスではありますが、私の発表の他にも、経験豊富なPostgreSQLエンジニアによる14のセッション／チュートリアルが予定されており、ぜひご参加いただければと思います。

www.postgresql.jp

*1:例外としては、PGconf.ASIA 2018などに向けて、NEC様の協力でExpEtherを3台、3xGPU + 6xSSDの構成を作って13.5GB/sを記録したもの。

*2:デフォルトだとnworkers=10程度、すなわちパーティションあたり2～3のワーカーとなり、CPU100%で貼り付いてしまうため