【GPU原理】1.线程和缓存的关系

一、GPU如何做并行计算

1.简单的串行计算

对于如上的运算AX+Y，每次运算我们需要从内存读取两个数据，一个是x[i]，一个是y[i]，最后存回y[i]。这里面有一个FMA的操作（融合乘加（FMA）指令是RISC处理器中的常见指令），把乘法和加法融合在一起。之后进行N次的迭代。这就是在CPU的一段串行，按顺序执行的程序。

以Intel Exon 8280芯片为例，内存带宽是113GB/s，内存延时是89ns ，那么每次，也就是89ns里面，我们有11659个byte去执行，当然这只是峰值的算力。

 实际上在89ns的延迟时间内，我们只移动了16个byte，此时内存利用率≈0.14%。

我们99%以上的时间都花在了内存搬运上。

2.利用并发

 咱们把刚才的程序展开，每次执行0~7数据，迭代8次。这样就利用了并发，使得总线处于忙碌状态。这样我们每次就可以执行11659/(8+8)=729次请求。

但仍然存在问题。

• 编译器很少对循环展开100次以上
• 一个线程每次执行的指令数量是有限的，不可能会执行非常非常多的并发数量
• 一个线程很难去直接处理700多个计算的负荷。

3.并行循环展开

通过并行处理器/多个线程去执行AX+Y，同样可以是总线处于忙碌状态当中。每次进行729次迭代，但不一样的是，我们每个线程独立去负责相关的运算，每个线程都去计算一次AX+Y。我们要进行729次计算，那么我们就需要进行729个线程，这时候我们的瓶颈变为了线程数量和内存请求。 

二、并发与并行

并行指我们能同时处理多个相同的任务。

并发指我们能处理多个任务的功能，但不一定是同时。

利用多线程去对循环进行展开提高整体硬件利用率，这就是GPU的主要原理。

以上面三款芯片参数为例，我们看看我们需要多少线程才能解决内存时延的问题。可以看到GPU的时延比CPU高很多 ，而线程数是GPU比CPU高很多很多，这就是GPU的特点，它拥有大量的线程专门为大量大规模并行任务设计。

因此GPU相当于一个大型吞吐机，有的线程等待着数据，有的线程等待被激活运算，有的线程处于计算当中。指令执行的延迟和数据搬运的延迟通常不是GPU设计考虑的首要任务，主要目的是增加线程。

而CPU相当于一个延迟机，它希望一个线程里面完成所有的工作，所以要想办法在减少延时上。首要任务是优化线程的执行速率和效率。

三、GPU缓存机制

Cache大家应该都很熟悉，在CPU里，它起到了提高查询速率的作用。缓存对GPU同样的重要。

GPU有着一块独立的高带宽内存，也就是我们通常所说的显存。

可以看到GPU缓存的内存时延是逐级递增的，而如果要用CPU去搬运数据，时延则更长。

显存的作用就是防止内存向显卡传输数据的速度跟不上计算的速度。

可以距离SM越近的缓存，运算操作越少，运算强度越低。反观PCIe，带宽很低，时延很高，计算强度也很高，算力利用率也会很低

带宽增加的同时，我们的线程数也需要增加，这样才能处理并行操作。每个线程都执行一个对应的数据才能把算力利用率提升上去。只有线程数足够多才能让整个系统的内存处于忙碌状态，让我们的计算也处于忙碌的状态。 

四、GPU线程机制

上图所示左，为GPU的一个简单的基本架构，其中包含非常多的SM，SM（Streaming Multiprocessor 多流处理器），可以被认为是GPU内部一个基本的运算单元。

在GPU一个时钟周期内，我们可以执行多个warp，在这里一个SM里面有64个warp，每次warp可以进行一次并发的执行，GPU主要就是通过增加线程增加warp来掩盖延时问题，而不是减少延时时间。

可以看到A100芯片有22W个线程，线程可以在不同的warp上进行调度。大部分时候，应用程序是用不完这么多线程的，并且并不是所有线程都在进行运算，有些在搬运数据，有些在等待下次计算，所以GPU的算力利用率并不是很高，但因为超配额的线程，我们并不会觉得慢。

参考：

深入GPU原理：线程和缓存关系【AI芯片】GPU原理01_哔哩哔哩_bilibili

Efficient dual-precision floating-point fused-multiply-add architecture - ScienceDirect