GPU架构概述

GPU \textbf{GPU} GPU架构与 CUDA \textbf{CUDA} CUDA编程模型

1. GPU \textbf{1. }\textbf{GPU} 1. GPU体系结构

1️⃣计算单元组织架构

结构	功能
CUDA \text{CUDA} CUDA核心	类似 ALU \text{ALU} ALU(但远没 CPU \text{CPU} CPU的灵活)，可执行浮点运算/张量运算/光线追踪(高级核心)
Warp \text{Warp} Warp	多核心共用一个取指/译码器，按 SIMT \text{SIMT} SIMT工作(所有线程指令相同/数据可不同)
SM \text{SM} SM	包含多组 Warps \text{Warps} Warps，所有 CUDA \text{CUDA} CUDA核心共用一套执行上下文(缓存) & \& &共享内存

2️⃣存储层次架构：

1. 不同 SM \text{SM} SM能够 Access \text{Access} Access相同的 L2 Cache \text{L2 Cache} L2 Cache
2. 显存与缓存之间的带宽极高，但是相比 GPU \text{GPU} GPU的运算能力仍然有瓶颈

2. \textbf{2. } 2. CUDA \textbf{CUDA} CUDA编程模型

1️⃣ CUDA \text{CUDA} CUDA程序简述

1. CUDA \text{CUDA} CUDA程序的两部分

   程序	运行位置	主要职责
   Host程序	CPU \text{CPU} CPU	任务管理/数据传输/启动 GPU \text{GPU} GPU内核
   Device程序	GPU \text{GPU} GPU	执行内核/处理数据

2. Kernel \text{Kernel} Kernel即在 GPU \text{GPU} GPU上运行的函数，如下简单内核定义示例

   //通过__global__关键字声名内核函数
   __global__ void VecAdd(float* A, float* B, float* C)
   {
      int i = threadIdx.x;
      C[i] = A[i] + B[i];
   }
   int main()
   {
      //通过<<<...>>>中参数指定执行kernel的CUDA thread数量
      VecAdd<<<1, N>>>(A, B, C); 
   }

2️⃣线程并行执行架构

1. 线程层次：

   结构	地位	功能
   Thread \text{Thread} Thread	并行执行最小单元	执行 Kernel \text{Kernel} Kernel的一段代码
   Warp(32Threads) \text{Warp(32Threads)} Warp(32Threads)	线程调度的基本单位	所有线程以 SIMD \text{SIMD} SIMD方式执行相同指令
   Block \text{Block} Block	GPU \text{GPU} GPU执行线程基本单位	使块内线程内存共享/指令同步
   Grid \text{Grid} Grid	并行执行的最大单元	执行整个内核(启动内核时必启动整个 Grid \text{Grid} Grid)

2. 线程在计算单元的映射：线程层次 ↔ 层次对应 GPU \xleftrightarrow{层次对应}\text{GPU} 层次对应 GPU物理架构
   

   • 注意 SM \text{SM} SM和 Block \text{Block} Block不必 1v1 \text{1v1} 1v1对应也可 Nv1 \text{Nv1} Nv1对应

3. 线程在存储单元的映射

   线程结构	可 Access \textbf{Access} Access的内存结构	访问速度
   Thread \text{Thread} Thread	每线程唯一的 Local Memory \text{Local Memory} Local Memory	极快
   Block \text{Block} Block	每块唯一的 Shared Memory \text{Shared Memory} Shared Memory(块中每个线程都可访问)	较快
   所有线程	唯一且共享的 Global Memory \text{Global Memory} Global Memory	较慢

3. CPU \textbf{3. CPU} 3. CPU与 GPU \textbf{GPU} GPU

1️⃣ CPU/GPU \text{CPU/}\text{GPU} CPU/GPU结构对比

	GPU \text{GPU} GPU	CPU \text{CPU} CPU
ALU \text{ALU} ALU	功能强但数量少(只占 GPU \text{GPU} GPU小部)，时钟频率极高	功能弱但数量大，时钟频率低
Cache \text{Cache} Cache	容量大并分级，缓存后续访问数据	容量很小，用于提高线程服务
控制	复杂串行逻辑，如流水/分支预测/乱序执行	简单(但大规模)并行逻辑

3️⃣ CPU ↔ 数据 / 指令传输 PCIe GPU \text{CPU} \xleftrightarrow[数据/指令传输]{\text{PCIe}} \text{GPU} CPUPCIe 数据/指令传输GPU交互

设备	逻辑地位	IO \textbf{IO} IO模块	任务分配
GPU \text{GPU} GPU	外设	IO Block \text{IO Block} IO Block(南桥)	控制逻辑和任务调度
CPU \text{CPU} CPU	主机	Copy Engine \text{Copy Engine} Copy Engine	执行大量并行计算任务