【NVIDIA CUDA】2023 CUDA夏令营编程模型（四）

博主未授权任何人或组织机构转载博主任何原创文章，感谢各位对原创的支持！
博主链接

本人就职于国际知名终端厂商，负责modem芯片研发。
在5G早期负责终端数据业务层、核心网相关的开发工作，目前牵头6G算力网络技术标准研究。


博客内容主要围绕：
       5G/6G协议讲解
       算力网络讲解（云计算，边缘计算，端计算）
       高级C语言讲解
       Rust语言讲解

CUDA流

CUDA流的概念

• CUDA流在加速应用程序方面起到重要的作用，他表示一个GPU的操作队列，操作在队列中按照一定的顺序执行，也可以向流中添加一定的操作如核函数的启动、内存的复制、事件的启动和结束等，添加的顺序也就是执行的顺序；
• 一个流中的不同操作有着严格的顺序。但是不同流之间是没有任何限制的。多个流同时启动多个内核，就形成了网格级别的并行；
• CUDA流中排队的操作和主机都是异步的，所以排队的过程中并不耽误主机运行其他指令，所以这就隐藏了执行这些操作的开销

通过流可以实现：

• 重叠主机和设备计算
• 重叠主机计算和主机设备数据传输
• 重叠主机设备数据传输和设备计算
• 并发设备计算（多个设备）

但是无法实现：

• page-locked 主机内存的分配；
• 设备内存的分配；
• 将两个不同地址的数据传输到相同的设备地址；
  • 任何对NULL stream的CUDA命令；

CUDA流的分类

• NULL stream：隐式分配的流；
• non-NULL stream：显示分配的流；

CUDA流的创建和销毁

// 定义一个流
cudaStream_t a;

// 创建一个流
cudaError_t cudaStreamCreate(cudaStream_t* pStream);

// 绑定一个流，指示在哪个流里面进行一个异步的数据传输
cudaError_t cudaMemcpyAsync(void* dst, const void* src, size_t count,cudaMemcpyKind kind, cudaStream_t stream = a);

// 指定核函数在哪个流上执行
kernel_name<<<grid, block, sharedMemSize, stream>>>(argument list);

// 销毁一个流
cudaError_t cudaStreamDestroy(cudaStream_t stream);
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14

使用CUDA加速程序

例如，一个向量求和 A+B = C

默认在NULL stream中所有操作都是串行的，通过使用多个流，将一个串行的操作并行化，可以看到上面使用了4个流，将向量求和分成了4个并行操作来执行，可以将运算速度提升4倍。

CUDA加速库

CUDA加速库的使用方法

1. 创建一个库相关的handle，用于管理库相关操作的上下文信息；
2. 为库函数的输入输出分配设备内存；
3. 如果输入的数据格式不是CUDA库支持的格式，需要对数据格式进行转换；
4. 使用支持的数据格式，初始化预分配的设备内存；
5. 配置库计算的详细参数；
6. 执行库计算，将计算卸载到GPU；
7. 从设备内存获取计算结果；
8. 可能涉及结果数据格式的转换；
9. 释放CUDA资源；
10. 继续执行程序剩余的操作；

1. cuBLAS

cuBLAS库是基于CUDA运行时的BLAS（Basic Linear Algebra Subprograms）实现的，cuBLAS库用于进行向量/矩阵运算，它包含两套API：

• cuBLAS API，需要用户自己分配GPU内存空间，按照规定格式填入数据；
• cuBLASXT API，可以分配数据在CPU端，然后调用函数，它会自动管理内存、执行计算；

Pyculib是一个包，它提供对几个数值库的访问，这些数值库针对NVidia GPU的性能进行了优化。

cuBLAS context

• 应用程序必须通过调用cublasCreate（）函数初始化cuBLAS库上下文的句柄；
• 这种方法允许用户在使用多个主机线程和多个GPU时显式控制库设置；

Thread Safety

• 这个库是线程安全的，它的函数可以从多个主机线程调用，即使使用相同的句柄；
• 当多个线程共享同一个句柄时，在更改句柄配置时需要格外小心，因为该更改可能会影响所有线程中后续的CUBLAS调用；
• 因此，不建议多个线程共享相同的CUBLAS handle；

Results reproducibility

• 按照设计，来自给定工具包版本的所有CUBLAS API例程在每次运行时在具有相同架构和相同SMs数量的gpu上执行时都生成相同的位结果；
• 然而，由于实现可能会因一些实现更改而有所不同，因此不能保证跨工具包版本的逐位重现性；

Parallelism with Streams

• 如果应用程序使用多个独立任务计算的结果，则可以使用CUDA streams来重叠这些任务中执行的计算；
  cudaStreamCreate()
  cublasSetStream()

Cache configuration

在某些设备上，L1缓存和共享内存使用相同的硬件资源。可以使用CUDA运行时函数cudaDeviceSetCacheConfig直接设置缓存配置。还可以使用例程cudaFuncSetCacheConfig为某些函数专门设置缓存配置。

2.Thrust

Thrust是基于标准模板库（STL）的CUDA的C++模板库。Thrust允许您通过与CUDA C完全互操作的高级接口，以最少的编程工作实现高性能并行应用程序。Thrust提供了丰富的数据并行原语集合，例如扫描、排序和规约，它们可以组合在一起，以简洁、可读的源代码实现复杂的算法。通过用这些高级抽象描述您的计算，您可以让Thrust自由地自动选择最有效的实现。因此，Thrust可用于CUDA应用程序的快速原型设计（其中程序员的生产力最为重要），也可用于生产。

#include 
#include 
#include 
#include 

int main(void)
{
	// generate 32M random numbers on the host
	thrust::host_vector<int> h_vec(32 << 20);
	thrust::generate(h_vec.begin(), h_vec.end(), rand);
	// transfer data to the device
	thrust::device_vector<int> d_vec = h_vec;
	// sort data on the device
	thrust::sort(d_vec.begin(), d_vec.end());
	// transfer data back to host
	thrust::copy(d_vec.begin(), d_vec.end(), h_vec.begin());
	return 0;
}

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19

3.CV-CUDA

CV-CUDA 是一个开源项目，使开发人员能够在云规模的人工智能 (AI) 成像和计算机视觉 (CV)工作负载中构建高效、GPU 加速的预处理和后处理管道。借助一组针对数据中心 GPU 性能进行手动优化的专用 CV 和图像处理内核，CV-CUDA 可确保使用这些内核构建的处理管道得到执行，从而在整个复杂工作负载中提供更高的吞吐量。CV-CUDA 可以提供超过 10 倍的吞吐量改进和更低的云计算成本。 CV-CUDA 将提供与 C/C++、Python 的轻松集成，以及与 PyTorch 等常见深度学习 (DL) 框架的接口。

4. NVIDIA cuNumeric

将 GPU 加速的超级计算引入 NumPy 生态系统Python 已成为数据科学、机器学习和高效数值计算中使
用最广泛的语言。NumPy 是事实上的标准数学和矩阵库，提供简单易用的编程模型，其接口与科学应用的数学需求密切相关，使其成为许多最广泛使用的数据科学和机器学习的基础 构建学习编程环境。随着数据集规模的不断扩大和程序的复杂性不断增加，越来越需要通过利用远远超出单个 CPU 节点所能提供的计算资源来解决这些问题。

5.NVIDIA TensorRT

---