CUDA编程（一）：GPU计算与CUDA编程简介

  • GPU计算
    • GPU硬件资源
    • GPU软件资源
    • GPU存储资源
  • CUDA编程

GPU计算

NVIDIA公司发布的CUDA是建立在GPU上的一个通用并行计算平台和编程模型，CUDA编程可以利用GPU的并行计算引擎来更加高效地解决比较复杂的计算难题。GPU的并行计算最成功的一个应用就是深度学习领域。

GPU通常不作为一个独立运行的计算平台，而需要与CPU协同工作，它可以看成是CPU的协处理器，因此GPU的并行计算实际上是指基于CPU和GPU的异构计算架构，GPU和CPU之间通过PCIe总线连接在一起来协同工作。CPU的运算核心较少，但其可以实现复杂的逻辑运算，因此其适合控制密集型任务，而且CPU上的线程是重量级的。GPU的运算核心较多，其特别适合数据并行的计算密集型任务，其线程是轻量级的。基于CPU和GPU的异构计算平台可以优势互补，CPU负责处理逻辑复杂的串行计算程序，GPU主要处理数据密集型的并行计算程序，从而发挥最大的功效。

GPU硬件资源

在硬件上，GPU的资源包括SP和SM。

  • SP：最基本的处理单元，streaming processor，也称为CUDA core。具体的指令和任务都是在SP上处理的。GPU进行并行计算，也就是很多个SP同时进行运算。我们所说的几百核心的GPU值指的都是SP的数量；
  • SM：多个SP加上其他的一些资源组成一个streaming multiprocessor。也叫GPU大核，其他资源如：warp scheduler，register，shared memory等。SM可以看做GPU的心脏（对比CPU核心），register和shared memory是SM的稀缺资源。CUDA将这些资源分配给所有驻留在SM中的threads。因此，这些有限的资源就使每个SM中active warps有非常严格的限制，也就限制了并行能力。

每个SM包含的SP数量依据GPU架构而不同，Fermi架构GF100是32个，GF10X架构是48个，Kepler架构是192个，Maxwell架构是128个，Turing架构是64个。

GPU软件资源

从软件上看，即GPU的线程模型，可以分为Grid、Block、Thread和Warp。

  • Thread：一个CUDA的并行程序会被以许多个threads来执行。
  • Block：若干个threads组成一个block，同一个block中的threads可以同步，也可以通过shared memory通信。
  • Grid：若干个blocks可以组成Grid。
  • Warp：GPU执行程序时的调度单位，同一个warp里的线程执行相同的指令，即SIMT。

GPU存储资源

每一个Thread都有自己的local memory和resigters，每一个Block有shared memory，这个Block中的所有Thread都可以访问，Grid之间会有Global memory和Cache，所有的Grid都可以访问。

CUDA编程

CUDA提供了多种编程语言支持，如C/C++、Python、Fortran等。
CUDA编程工具：

  • 编译器：nvcc
  • 调试器：nvcc-gdb
  • 性能分析：nsight、nvprof。

CUDA编程模型是一个异构模型，它假设系统是由一个主机和一个设备组成的，而且各自拥有独立的内存，CPU所在位置称为主机端（host），而GPU所在位置称为设备端（device）。一个CUDA程序即包含host程序，也包含device程序，CUDA程序在运行时可以分配和释放设备上的内存，并且在主机内存和设备内存之间进行传输，在设备上运行核函数。

典型的CUDA编程包括以下五个流程:

  1. 分配GPU内存，并进行数据的初始化；
  2. 从CPU内存中拷贝数据到GPU内存中；
  3. 调用CUDA的核函数来完成指定的计算；
  4. 将数据从GPU内存中拷贝回CPU内存中；
  5. 释放GPU内存。