一文揭開 NVIDIA CUDA 神秘面紗

作者：架構(gòu)驛站 2024-11-11 16:36:41

今天我們繼續(xù)來聊一下人工智能生態(tài)相關(guān)技術(shù) - 用于加速構(gòu)建 AI 核心算力的 GPU 編程框架 - CUDA 。

Hello folks，我是 Luga，今天我們繼續(xù)來聊一下人工智能生態(tài)相關(guān)技術(shù) - 用于加速構(gòu)建 AI 核心算力的 GPU 編程框架 - CUDA 。

CUDA，作為現(xiàn)代圖形處理器（GPU）的計算單元，在高性能計算領(lǐng)域扮演著日益重要的角色。通過將復(fù)雜的計算任務(wù)分解為數(shù)千個線程并行執(zhí)行，CUDA 顯著提升了計算速度，為人工智能、科學(xué)計算、高性能計算等領(lǐng)域帶來了革命性的變革。

CUDA 到底是什么？

毋庸置疑，你一定聽說過 CUDA，并了解這玩意與 NVIDIA GPU 密切相關(guān)。然而，關(guān)于 CUDA 的具體定義和功能，許多人仍然心存疑惑，一臉懵逼。CUDA 是一個與 GPU 進(jìn)行通信的庫嗎？

如果是，它屬于 C++ 還是 Python 庫？或者，CUDA 實(shí)際上是一個用于 GPU 的編譯器？了解這些問題有助于更好地掌握 CUDA 的核心特性及其在 GPU 加速中的作用。

CUDA，全稱為 “ Compute Unified Device Architecture ”，即“計算統(tǒng)一設(shè)備架構(gòu)”，是 NVIDIA 推出的一套強(qiáng)大并行計算平臺和編程模型框架，為開發(fā)人員提供了加速計算密集型應(yīng)用的完整解決方案。CUDA 包含運(yùn)行時內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動程序、優(yōu)化庫、開發(fā)工具和豐富的 API 組合，使得開發(fā)人員能夠在支持 CUDA 的 GPU 上運(yùn)行代碼，大幅提升應(yīng)用程序的性能。這一平臺尤為適合用于處理大規(guī)模并行任務(wù)，如深度學(xué)習(xí)、科學(xué)計算以及圖像處理等領(lǐng)域。

通常而言，“CUDA” 不僅指平臺本身，也可指為充分利用 NVIDIA GPU 的計算能力而編寫的代碼，這些代碼多采用 C++ 和 Python 等語言編寫，以充分發(fā)揮 GPU 加速的優(yōu)勢。借助 CUDA，開發(fā)人員能夠更加輕松地將復(fù)雜的計算任務(wù)轉(zhuǎn)移至 GPU 運(yùn)行，極大提升應(yīng)用程序的運(yùn)行效率。

因此，總結(jié)起來，我們可以得出如下結(jié)論：

CUDA 不僅僅是一個簡單的庫，它是一個完整的平臺，為開發(fā)者提供了利用 GPU 進(jìn)行高效并行計算的全方位支持。這個平臺的核心組件包括：

CUDA C/C++：這是 CUDA 為并行編程所擴(kuò)展的 C++ 語言，專為在 GPU 上編寫并行代碼而設(shè)計。開發(fā)者可以使用熟悉的 C++ 語法結(jié)構(gòu)，通過特定的編程模型定義 GPU 任務(wù)，讓代碼更高效地在多線程環(huán)境中執(zhí)行。
CUDA 驅(qū)動程序：這一組件連接操作系統(tǒng)與 GPU，提供底層硬件訪問接口。驅(qū)動程序的主要作用是管理 CPU 與 GPU 之間的數(shù)據(jù)傳輸，并協(xié)調(diào)它們的計算資源。它確保了硬件和操作系統(tǒng)的兼容性，是 CUDA 代碼高效運(yùn)行的基礎(chǔ)。
CUDA 運(yùn)行時庫（cudart）：運(yùn)行時庫為開發(fā)者提供了豐富的 API，便于管理 GPU 內(nèi)存、啟動 GPU 內(nèi)核（即并行任務(wù)）、同步線程等。它簡化了開發(fā)者的工作流程，使得在 GPU 上運(yùn)行并行程序的流程更加流暢和高效。
CUDA 工具鏈（ctk）：包括編譯器、鏈接器、調(diào)試器等工具，這些工具用于將 CUDA 代碼編譯成 GPU 可執(zhí)行的二進(jìn)制指令。工具鏈中的編譯器將 C++ 代碼和 CUDA 內(nèi)核代碼一同處理，使其適應(yīng) GPU 的架構(gòu)；而調(diào)試器和分析工具幫助開發(fā)者優(yōu)化性能和排查問題。

相關(guān)的環(huán)境變量可參考如下：

$CUDA_HOME是系統(tǒng)CUDA的路徑，看起來像/usr/local/cuda，它可能鏈接到特定版本/usr/local/cuda-X.X。
$LD_LIBRARY_PATH是一個幫助應(yīng)用程序查找鏈接庫的變量。您可能想要包含$CUDA_HOME/lib的路徑。
$PATH應(yīng)該包含一個通往$CUDA_HOME/bin的路徑。

借助這一完整的開發(fā)平臺，開發(fā)者能夠充分挖掘 NVIDIA GPU 的計算潛力，將復(fù)雜的并行計算任務(wù)高效地分配至 GPU 上執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序性能的極大提升。

CUDA 是如何工作的？

現(xiàn)代 GPU 由數(shù)千個小型計算單元組成，這些單元被稱為 CUDA 核心。CUDA 核心能夠高效并行工作，使 GPU 能夠快速處理那些可以分解為多個小型獨(dú)立操作的任務(wù)。這種架構(gòu)使得 GPU 不僅適用于圖形渲染任務(wù)，也適用于計算密集型的科學(xué)計算和機(jī)器學(xué)習(xí)等非圖形任務(wù)。

作為 NVIDIA 提供的一個計算平臺和編程模型，CUDA 專門為 GPU 開放了這些強(qiáng)大的并行處理能力。通過 CUDA，開發(fā)者可以編寫代碼，將復(fù)雜的計算任務(wù)移交給 GPU。以下是 CUDA 的工作原理：

(1) 并行處理

CUDA 將計算任務(wù)分解為多個可以獨(dú)立運(yùn)行的小任務(wù)，并將這些任務(wù)分配到多個 CUDA 核心上并行執(zhí)行。這樣一來，與傳統(tǒng) CPU 順序執(zhí)行的模式相比，GPU 可以在相同時間內(nèi)完成更多的計算，從而極大地提升計算效率。

(2) 線程和塊的架構(gòu)

在 CUDA 編程模型中，計算任務(wù)被進(jìn)一步劃分為線程，每個線程獨(dú)立處理一部分?jǐn)?shù)據(jù)。這些線程被組織成塊，每個塊中包含一定數(shù)量的線程。這種層次化結(jié)構(gòu)不僅便于管理海量線程，還提高了執(zhí)行效率。多個線程塊可以同時運(yùn)行，使得整個任務(wù)可以快速并行完成。

(3) SIMD 架構(gòu)

CUDA 核心采用單指令多數(shù)據(jù)（Single Instruction, Multiple Data，簡稱 SIMD）架構(gòu)。這意味著單條指令可以對多個數(shù)據(jù)元素同時執(zhí)行操作。例如，可以用一條指令對大量數(shù)據(jù)元素進(jìn)行相同的計算，從而加快數(shù)值計算的速度。這種架構(gòu)對矩陣運(yùn)算、向量處理等高并行任務(wù)極為高效，特別適用于深度學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練、圖像處理和模擬仿真等領(lǐng)域。

基于這些特性，CUDA 不僅為高性能并行計算提供了直接途徑，也將 NVIDIA GPU 的強(qiáng)大計算潛力拓展至科學(xué)計算、人工智能、圖像識別等領(lǐng)域，為開發(fā)者實(shí)現(xiàn)復(fù)雜計算任務(wù)的加速提供了強(qiáng)有力的支持。

CUDA 編程模型

在 CUDA 編程中，開發(fā)者通常需要編寫兩部分代碼：主機(jī)代碼（Host Code）和設(shè)備代碼（Device Code）。

主機(jī)代碼在 CPU 上運(yùn)行，負(fù)責(zé)與 GPU 進(jìn)行交互，包括數(shù)據(jù)傳輸和資源管理；而設(shè)備代碼則在 GPU 上執(zhí)行，承擔(dān)主要計算任務(wù)。二者相互配合，充分利用 CPU 和 GPU 的協(xié)同處理能力，以達(dá)到高效并行計算的目的。

(1) 主機(jī)代碼：主機(jī)代碼運(yùn)行在 CPU 上，負(fù)責(zé)控制整個程序的邏輯流程。它管理 CPU 和 GPU 之間的數(shù)據(jù)傳輸，分配和釋放 GPU 資源，并配置 GPU 內(nèi)核參數(shù)。這部分代碼不僅定義了如何組織數(shù)據(jù)并將其發(fā)送到 GPU，還包含了啟動設(shè)備代碼的指令，從而讓 GPU 接管計算密集的任務(wù)。主機(jī)代碼起到管理和協(xié)調(diào)的作用，確保 CPU 與 GPU 之間的高效協(xié)作。

此部分包括數(shù)據(jù)傳輸、內(nèi)存管理、以及啟動 GPU 內(nèi)核等，具體功能可參考如下所示：

數(shù)據(jù)傳輸管理：主機(jī)代碼負(fù)責(zé)在 CPU 和 GPU 之間傳輸數(shù)據(jù)。由于 CPU 和 GPU 通常使用不同的內(nèi)存系統(tǒng)，主機(jī)代碼需要在兩者之間復(fù)制數(shù)據(jù)。例如，將需要處理的數(shù)據(jù)從主機(jī)內(nèi)存（CPU 內(nèi)存）傳輸?shù)皆O(shè)備內(nèi)存（GPU 內(nèi)存），并在處理完成后將結(jié)果從 GPU 內(nèi)存?zhèn)骰?CPU 內(nèi)存。這種數(shù)據(jù)傳輸是耗時的，因此在實(shí)際應(yīng)用中需要盡量減少傳輸頻率，并優(yōu)化數(shù)據(jù)大小，以降低延遲。
內(nèi)存分配與管理：主機(jī)代碼分配 GPU 內(nèi)存空間，為后續(xù)的計算提供儲存資源。CUDA API 提供了多種內(nèi)存管理函數(shù)（如 cudaMalloc 和 cudaFree），允許開發(fā)者在 GPU 上動態(tài)分配和釋放內(nèi)存。合理的內(nèi)存分配策略可以有效提高內(nèi)存使用效率，防止 GPU 內(nèi)存溢出。
內(nèi)核配置與調(diào)度：在主機(jī)代碼中，開發(fā)者可以配置內(nèi)核啟動參數(shù)（如線程數(shù)和線程塊數(shù)）并決定內(nèi)核在 GPU 上的執(zhí)行方式。通過優(yōu)化這些參數(shù)，主機(jī)代碼能夠顯著提升程序的執(zhí)行效率

(2) 設(shè)備代碼：設(shè)備代碼編寫的核心部分是在 GPU 上執(zhí)行的計算函數(shù)，通常被稱為內(nèi)核（Kernel）。每個內(nèi)核函數(shù)在 GPU 的眾多 CUDA 核心上并行執(zhí)行，能夠快速處理大量數(shù)據(jù)。設(shè)備代碼專注于數(shù)據(jù)密集型的計算任務(wù)，在執(zhí)行過程中充分利用 GPU 的并行計算能力，使得計算速度比傳統(tǒng)的串行處理有顯著提升。

設(shè)備代碼定義了 GPU 的計算邏輯，使用 CUDA 內(nèi)核來并行處理大量數(shù)據(jù)。

內(nèi)核函數(shù)（Kernel Function）：設(shè)備代碼的核心是內(nèi)核函數(shù)，即在 GPU 的多個線程上同時執(zhí)行的函數(shù)。內(nèi)核函數(shù)由 __global__ 關(guān)鍵字標(biāo)識，表示該函數(shù)將在設(shè)備端（GPU）執(zhí)行。內(nèi)核函數(shù)與普通的 C/C++ 函數(shù)不同，它必須是無返回值的，因為所有輸出結(jié)果都要通過修改傳入的指針或 GPU 內(nèi)存來傳遞。
線程和線程塊的組織：在設(shè)備代碼中，計算任務(wù)被分解為多個線程，這些線程組成線程塊（Block），多個線程塊組成一個線程網(wǎng)格（Grid）。CUDA 提供了 threadIdx、blockIdx 等內(nèi)置變量來獲取線程的索引，從而讓每個線程在數(shù)據(jù)中找到屬于自己的計算任務(wù)。這種方式使得設(shè)備代碼可以非常高效地并行處理數(shù)據(jù)集中的每個元素。
并行算法優(yōu)化：在設(shè)備代碼中，CUDA 編程可以實(shí)現(xiàn)多個并行優(yōu)化技術(shù)，例如減少分支、優(yōu)化內(nèi)存訪問模式（如減少全局內(nèi)存訪問和提高共享內(nèi)存利用率），這些優(yōu)化有助于最大化利用 GPU 計算資源，提高設(shè)備代碼的執(zhí)行速度。

(3) 內(nèi)核啟動：內(nèi)核啟動是 CUDA 編程的關(guān)鍵步驟，由主機(jī)代碼啟動設(shè)備代碼內(nèi)核，在 GPU 上觸發(fā)執(zhí)行。內(nèi)核啟動參數(shù)指定了 GPU 上線程的數(shù)量和分布方式，使內(nèi)核函數(shù)可以通過大量線程并行運(yùn)行，從而加快數(shù)據(jù)處理速度。通過適當(dāng)配置內(nèi)核，CUDA 編程能以更優(yōu)的方式利用 GPU 資源，提高應(yīng)用的計算效率。

在整個體系中，這一步驟至關(guān)重要，它控制了設(shè)備代碼的并行性、效率及運(yùn)行行為。具體可參考如下：

內(nèi)核啟動語法：CUDA 使用特殊的語法 <<<Grid, Block>>> 啟動內(nèi)核函數(shù)。例如：kernel<<<numBlocks, threadsPerBlock>>>(parameters);，其中 numBlocks 表示線程塊的數(shù)量，threadsPerBlock 表示每個線程塊中包含的線程數(shù)。開發(fā)者可以根據(jù)數(shù)據(jù)集的大小和 GPU 的計算能力選擇合適的線程塊和線程數(shù)量。
并行化控制：通過指定線程塊數(shù)和線程數(shù)，內(nèi)核啟動控制了 GPU 的并行粒度。較大的數(shù)據(jù)集通常需要更多的線程和線程塊來充分利用 GPU 的并行能力。合理配置內(nèi)核啟動參數(shù)，可以平衡 GPU 的并行工作負(fù)載，避免資源浪費(fèi)或過載現(xiàn)象。
同步與異步執(zhí)行：內(nèi)核啟動后，GPU 可以異步執(zhí)行任務(wù)，CPU 繼續(xù)進(jìn)行其他操作，直至需要等待 GPU 完成。開發(fā)者可以利用這種異步特性，使程序在 CPU 和 GPU 間并行執(zhí)行，達(dá)到更高的并行效率。此外，CUDA 提供了同步函數(shù)（如 cudaDeviceSynchronize），確保 CPU 在需要時等待 GPU 完成所有操作，避免數(shù)據(jù)不一致的問題。

通過有效協(xié)調(diào)這三者，CUDA 編程能夠?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)密集型任務(wù)的高速并行處理，為高性能計算提供了一個極具擴(kuò)展性的解決方案。

CUDA 內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)體系

在 CUDA 編程中，GPU 內(nèi)存的結(jié)構(gòu)是多層次的，具有不同的速度和容量特性。CUDA 提供了多種內(nèi)存類型，用于不同的數(shù)據(jù)存儲需求。合理利用這些內(nèi)存可以顯著提升計算效率。以下是各類內(nèi)存的詳細(xì)描述：

(1) 全局內(nèi)存（Global Memory）

全局內(nèi)存是 GPU 上容量最大的存儲空間，通常為幾 GB，并且是 GPU 的主要數(shù)據(jù)存儲區(qū)。全局內(nèi)存可以被所有線程訪問，也可以與 CPU 共享數(shù)據(jù)，但其訪問速度相對較慢（相對于其他 GPU 內(nèi)存類型而言），因此需要避免頻繁訪問。數(shù)據(jù)傳輸操作也較耗時，因此全局內(nèi)存常用于存儲較大的數(shù)據(jù)集，但會優(yōu)先考慮數(shù)據(jù)訪問的批處理或其他緩存策略來減少其頻繁調(diào)用。

通常而言，全局內(nèi)存主要適用于存儲程序的大部分輸入輸出數(shù)據(jù)，尤其是需要 GPU 和 CPU 共享的大容量數(shù)據(jù)。

示例：在矩陣乘法中，兩個矩陣的元素可以存儲在全局內(nèi)存中，以便所有線程都可以訪問。

__global__ void matrixMultiplication(float *A, float *B, float *C, int N) {
    int row = blockIdx.y * blockDim.y + threadIdx.y;
    int col = blockIdx.x * blockDim.x + threadIdx.x;
    float sum = 0.0;
    for (int i = 0; i < N; ++i) {
        sum += A[row * N + i] * B[i * N + col];
    }
    C[row * N + col] = sum;
}

(2) 共享內(nèi)存（Shared Memory）

共享內(nèi)存是分配在 GPU 每個線程塊內(nèi)部的高速緩存，其訪問速度遠(yuǎn)高于全局內(nèi)存，但容量較小（通常為每塊 48 KB 或更少）。共享內(nèi)存是線程塊內(nèi)線程共享的，適合存儲需要在一個線程塊內(nèi)頻繁訪問的數(shù)據(jù)。由于它存儲在各自的塊內(nèi)，每個塊內(nèi)的線程可以在共享內(nèi)存中快速讀寫數(shù)據(jù)，從而減少對全局內(nèi)存的訪問。

相對于全局內(nèi)存，共享內(nèi)存更多適用于多線程間的數(shù)據(jù)交換，尤其是需在一個線程塊內(nèi)反復(fù)使用的數(shù)據(jù)。

示例：在矩陣乘法中，A 和 B 的子塊可以加載到共享內(nèi)存中，以便線程塊中的所有線程都可以快速訪問。

__shared__ float sharedA[TILE_SIZE][TILE_SIZE];
__shared__ float sharedB[TILE_SIZE][TILE_SIZE];

(3) 本地內(nèi)存（Local Memory）

本地內(nèi)存是分配給每個線程的私有內(nèi)存，主要用于存儲線程的私有變量。盡管稱為“本地”，它實(shí)際上是分配在全局內(nèi)存中，因此訪問速度較慢，接近全局內(nèi)存的訪問速度。由于本地內(nèi)存容量有限且其訪問開銷較高，建議只在必要時使用。

通常情況下，本地內(nèi)存適用于存儲線程的臨時變量、私有數(shù)據(jù)或不適合在寄存器中保存的數(shù)據(jù)。

示例：對于復(fù)雜計算中的中間變量，可以放置在本地內(nèi)存中，以便線程之間不發(fā)生沖突。

int localVariable = 0;  // 本地內(nèi)存中的變量

(4) 常量和紋理內(nèi)存（Constant and Texture Memory）

常量內(nèi)存和紋理內(nèi)存分別是 CUDA 提供的專用于只讀數(shù)據(jù)的內(nèi)存類型，具有特殊的緩存機(jī)制，能夠在特定訪問模式下加快數(shù)據(jù)讀取。常量內(nèi)存用于存儲不會更改的常量數(shù)據(jù)，而紋理內(nèi)存適合存儲二維或三維數(shù)據(jù)，通過紋理緩存可以提高訪問速度。

常量內(nèi)存（Constant Memory）：僅可由 CPU 寫入，但可被所有 GPU 線程讀取。適合存儲小規(guī)模的、不變的數(shù)據(jù)（如配置信息、系數(shù)等）。

紋理內(nèi)存（Texture Memory）：專門優(yōu)化以支持二維或三維數(shù)據(jù)的讀取，對于非順序或稀疏訪問模式的數(shù)據(jù)（如圖像數(shù)據(jù)）具有較高的訪問效率。

示例：在圖像處理應(yīng)用中，將像素數(shù)據(jù)加載到紋理內(nèi)存中，讓 GPU 利用其特定的緩存機(jī)制來優(yōu)化訪問效率。

__constant__ float constData[256];  // 常量內(nèi)存

cudaArray* texArray;
cudaChannelFormatDesc channelDesc = cudaCreateChannelDesc<float>();
cudaMallocArray(&texArray, &channelDesc, width, height);  // 紋理內(nèi)存

CUDA平臺為開發(fā)人員提供了對CUDA GPU并行計算資源的深度訪問，允許直接操作GPU的虛擬指令集和內(nèi)存。通過使用CUDA，GPU可以高效地處理數(shù)學(xué)密集型任務(wù)，從而釋放CPU的計算資源，使其能夠?qū)Ｗ⒂谄渌蝿?wù)。這種架構(gòu)與傳統(tǒng)GPU的3D圖形渲染功能有著本質(zhì)的區(qū)別，開創(chuàng)了GPU在計算領(lǐng)域的新用途。

在CUDA平臺的架構(gòu)中，CUDA核心是其核心組成部分。每個CUDA核心都是一個獨(dú)立的并行處理單元，負(fù)責(zé)執(zhí)行各種計算任務(wù)。GPU中的CUDA核心數(shù)量越多，它能夠并行處理的任務(wù)就越多，從而顯著提升計算性能。通過這種并行計算，CUDA平臺能夠在復(fù)雜的計算過程中實(shí)現(xiàn)大規(guī)模任務(wù)的并行處理，提供卓越的性能和高效性。

Reference ：